碳納米管復合材料的傳熱性能探究

陸慶瑞 劉偉軍

【摘 要】近年來，隨著微電子技術發展水平的提升，對于元器件體積的控制也越來越嚴格，為了縮小元器件空間，其體積逐步微小話，使體積小與高導熱成為了對元器件導熱材料的基本要求。目前，符合這一要求的材料有多種，但高分子導熱復合材料無疑最適合，文章以碳納米管復合材料為探究對象，對其傳熱性能進行了分析，在以碳納米管作為導熱填料時，其質量比例為0.3%，復合材料傳熱性分析中顯示導熱系數為0.940W/（m·K），可以發現及時導熱填料質量較小，材料的傳熱性能也得到有效的優化，為此，希望此次研究能夠為行業提供有益的啟發。

【關鍵詞】碳納米管;復合材料;傳熱性能

電子設備是現階段社會生產、生活領域不可或缺的工具，其使用頻率高、工作負荷大，而為了使電子設備更加便捷，元器件實現了微小化設計，在功能多元、用途廣泛、電路集成、體積小、輕便便攜等多種要求下，對于元器件導熱材料的性能有了更高的要求。目前廣泛使用的復合材料有石墨烯、碳納米管、環氧樹脂等多種類型，文章以碳納米管復合材料作為分析對象，對其傳熱性能進行探究，意在使復合材料能夠得到科學、合理的運用。

一、材料制備

碳納米管材料選擇直徑在10mm-20mm范圍內的純多壁碳納米管，具有98%的純度，利用電子顯微鏡掃描后的圖像如圖1所示。從圖像中可以看出，碳原子為卷曲狀。

復合材料制備過程中，按照比例將碳納米管與無水乙醇溶液混合，通過超聲進行分散，時間為15min;經過1h的干燥后，保障乙醇完全揮發后在材料中加入固化劑，混合后快速倒入模具中，進烘箱中固化，溫度為80℃、時間為3h;固化結束進入到冷卻環節，放在室溫環境下，冷卻后則會獲得復合材料。

二、測量方法

此次研究中對碳納米管復合材料傳熱性的測量采用TET技術，其是專門用于測量一維微尺度固體材料熱擴散率的方法，其具有測量速度快、準確率高的優勢，誤差可以控制在<5%以內。具體來講，如圖2所示，將待測樣品放置在兩個鋁電極之間，使樣品與微電流源以及數字示波器之間保持著并聯的關系，其中微電流源可以為本次實驗的進行提供充足的脈沖方波直流電，而數字示波器可以全過程記錄波形變化，確定位置后利用導電銀膠進行固定。該測量方法的原理為：樣品電阻會隨著樣品溫度的變化而變化，通過直流電電流后，根據歐姆定律可知電阻變化后樣品的電壓也會出現變化，將電壓變化情況利用波形進行反饋，由數字示波器進行記錄，則可利用電壓隨時間變化情況表現樣品溫度變化情況[1]。但需要注意的是，由于復合材料本身并非導電材質，為了獲得電壓，其需要將待測樣品放置在濺射真空鍍膜儀中在表面鍍金10mm，保障樣品具有導電性。

圖2 TET測量方法原理示意圖

此次研究過程中設計到以下計算：1.一維傳熱下控制方程、2.樣品平均溫度、3.樣品穩定狀態平均溫度計算、4.樣品歸一化溫度計算、5.電壓變化與溫度關系計算、6.待測樣品傳熱控制、7.樣品歸一化溫升計算、8.電壓變化與樣品平均溫度變化、9.減掉金膜影響計算、10.真實熱擴散率與輻射效應和計算。對應公式如下：

三、傳熱性能計算

一是，熱擴散率的計算。以碳納米管質量比例為0.3%為例進行計算，先做好樣品切割，將其放置在貝斯上，通過TET方法進行測試，利用高分貝顯微鏡對其進行觀察可以確定樣品的長度與寬度分別為1.990mm、0.344mm，實驗中的電流值為7.2mA，在一個完成的加熱周期內，瞬態電壓變化情況從初始的0.428V穩定上升到0.438V，到達后則處于穩定狀態，在0.428V、0.438V時電阻分別為59.44Ω與60.83Ω，擬合則可以獲得樣品的熱擴散率[2]。為了保障計算結果的準確性，可以在相同條件下進行多次試驗，求每次實驗結果的平均值。

二是，溫度電阻系數計算。電阻系數用 cp進行表示，但在測量過程中必須將鍍金的影響減掉，否則并不能真實的反電阻系數。具體計算過程中，將加熱板放置在加熱環境中，并保障熱電偶始終與樣品保持密切連接，隨著溫度的下降在不同時段使用數字萬用表測試樣品電阻，通過線性擬合的方式計算出導熱系數，再利用 =k/ cp則可以反推倒出樣品的電阻系數，此次計算結果為0.528（106J·m-3·K-1）。

三是，輻射影響計算。輻射對復合材料的影響主要尤其長度決定，在計算出熱擴散率基礎上可以發現輻射影響與其之間存在線性關系，在無任何輻射影響情況下，相同樣品的熱擴散率始終保持相同，但輻射影響狀態下相同樣品不同長短之間卻出現了差異，在輻射狀態下選擇不同長度的相同樣品進行實驗，可以發現樣品的長度越長，其實現平衡耗費的時間則越長。因此，去掉輻射影響后，此次實驗樣品的最終熱擴散率為1.788（107Jm2·s-1）。

四是，導熱系數計算。在計算出真實熱擴散率結果后，可以根據反推公式計算出材料的導熱系數，最終的結果為0.940（W·m-1·K-1）.

結束語：

綜上所述，文章以TET技術為測量方法對碳納米管復合材料傳熱性能進行了探究，論述了方法的具體應用，并介紹了方法原理、計算方法等，充分考慮到實驗當中各類情況，如鍍金影響、輻射影響、輻射狀態下不同長度樣品熱擴散率的不同，并進行了最終的導熱系數計算。可以看出復合材料導熱情況要明顯優于單獨使用碳納米管填料，在以后的研究中可以混合導熱填料，形成多種類復合材料，以便能夠更清晰的了解每種導熱填料的性能，從而在材料選擇中做出更準確的判斷與分析。

隨著未來科學技術的發展，高分子導熱材料在市場上將有更廣闊的發展空間，市場需求量也將不斷提升，其良好的導熱性能，是應用微電子設備制作中的最佳材料，文章對碳納米管復合材料傳熱性能的研究可以發現及時在碳納米管調料質量比例較低的情況下，也可以有效提升導熱材料的傳熱性能，但研究中也暴露出諸多問題，仍然有較大的進步空間，希望未來的研究能夠不斷完善測量方法。

參考文獻：

[1]黃金，李曉朋，王婷，等.基于MWCNTs/PA復合材料銅表面處理的傳熱性能[J].化工學報，2018，69（7）：2956-2963.

[2]李新芳，吳淑英.石蠟填充碳納米管復合材料的制備與界面傳熱性能研究[J].低溫與超導，2017，45（2）：88-92.

（作者單位：上海工程技術大學機械與汽車工程學院）