固態(tài)納米碳涂層在工業(yè)控制計算機上的應(yīng)用

江廣浪，付典林，史洪波

（研祥智能科技股份有限公司，廣東深圳 518107）

0 引言

碳材料是目前人類認知的材料中功能較全、性能較優(yōu)越、形式多樣的材料，是目前已知很多材料不能比擬的。繼硅時代之后，21世紀有望成為碳材料時代[1-3]。尤其是納米碳材料豐富的形態(tài)，涵蓋從零維、一維到二維結(jié)構(gòu)，每次納米碳材料的出現(xiàn)都引領(lǐng)了納米科技的快速發(fā)展[4-6]。其中，碳納米管可看成是一種石墨片卷曲結(jié)構(gòu)，超強的C-C鍵使碳納米管具有較強的力學(xué)性能和熱傳導(dǎo)性能，理論計算和實際測量表明，單壁碳納米管拉伸強度可達150 GPa，彈性模量1 TPa，是鋼鐵的100倍，密度卻只有其1/6，被譽為終極碳纖維。同時單壁碳納米管室溫導(dǎo)熱系數(shù)高達6 000 W/m·K，多壁碳納米管的室溫導(dǎo)熱系數(shù)也達3 000 W/m·K，是熱導(dǎo)率較高的材料[7-8]。同時，碳納米管表面積大，被譽為世界上最黑的物質(zhì)，這種物質(zhì)對光線的折射率只有0.045%，吸收率高達99.5%以上，輻射系數(shù)接近絕對黑體的1.0[9]。另外還具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和超高的載流子輸送密度，導(dǎo)電率接近金屬，載流能力超過金屬銅。眾多優(yōu)異的綜合性能使碳納米管自發(fā)現(xiàn)以來受到極大關(guān)注，是納米材料和納米技術(shù)的最典型代表，是散熱涂料和復(fù)合材料最理想的功能填料[10-11]。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件性能不斷提高，但是電子器件的集成度大幅提高，體積越來越小，在長時間工作過程中會不可避免出現(xiàn)高熱流密度問題[12]。在高功耗密閉式自然散熱整機中，熱量主要通過熱輻射，傳遞至外界環(huán)境中，從而達到給整機降溫的效果[13-15]。為了提高密閉式整機自然散熱的效率，本文旨在對固態(tài)納米碳散熱涂層在密閉式自然散熱整機上的應(yīng)用進行分析，為今后的固態(tài)納米碳散熱涂層的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 固態(tài)納米碳涂層散熱片工作原理及優(yōu)勢

納米碳涂層散熱片是將微米厚度級別的納米碳材料均勻涂布于鋁散熱片基材上，利用碳原子間的高導(dǎo)熱效能，進行熱傳導(dǎo)，再由碳原子高熱輻射效能，將熱能轉(zhuǎn)換為紅外線射頻，傳遞散熱效能[16-17]。其表比熱容一般，但面積大、質(zhì)量輕，熱傳導(dǎo)、對流、熱輻射性能極佳，整體散熱效果相對傳統(tǒng)鋁擠散熱片大幅提升[18]。納米涂層散熱片所具有的優(yōu)勢如下[19]。

（1）納米涂層散熱片充分利用了鋁的高熱傳導(dǎo)性和納米碳的高熱輻射性，使散熱效果更佳；

（2）納米涂層散熱片的加工更加環(huán)保，化學(xué)物品循環(huán)利用，避免有害的化學(xué)物或氣體的排放；

（3）納米涂層散熱片的外形結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝更簡單，使用鋁型材更少，整體比傳統(tǒng)的鋁型散熱片更加節(jié)能、減排；

（4）散熱片表面的納米涂層耐高溫、耐腐蝕、附著力強。

2 固態(tài)納米碳散熱片與傳統(tǒng)散熱片散熱性能的對比分析

本文以本公司M60-S密閉式自然散熱整機為研究對象，其整機配置如表1所示。在同一臺整機上，分別使用表面未做任何處理的散熱片（傳統(tǒng)散熱片）和表面噴涂固態(tài)納米碳的散熱片進行對比測試。

表1 本公司M60-S密閉式自然散熱整機配置表

2.1 測試條件

2.1.1 Bios功耗管控設(shè)置

對2種不同散熱片，分別將Bios功耗設(shè)置成Normal（CPU頻率為動態(tài)狀態(tài)）。

2.1.2 加載測試軟件

加載測試軟件包括：Idle狀態(tài)、BurnInTest 8.1、魯大師5.15、TAT 5.0.1008、3DMark 06、CPU-Z 1.85。加載測試軟件配置如表2所示。

在上述測試條件下，分別對傳統(tǒng)散熱片（表面不做任何處理，如圖1所示）和表面噴涂固態(tài)納米碳的散熱片（如圖2所示）進行加載對比溫升測試。

2.2 測試方案

在相同的環(huán)境下，分別對表面未做任何處理的散熱片和表面噴涂固態(tài)納米碳的散熱片整機進行不同加載測試，并記錄相關(guān)溫度值。具體測試方案如下。

將設(shè)置BIOS為Normal狀態(tài)，常溫下整機idle、3DMark06、BurnInTest8.1、TAT5.0.1008、魯大師5.15分別100%加載，保持3 h，達到熱平衡，記錄相關(guān)溫度值。

表2 加載測試軟件說明表

圖1 傳統(tǒng)散熱片

圖2 表面噴涂固態(tài)納米碳的散熱片

2.3 測試數(shù)據(jù)分析

在上述測試方案下，分別對傳統(tǒng)散熱片和表面噴涂固態(tài)納米碳散熱片整機進行測試，并記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)，其測試結(jié)果如表3、表4所示。

表3 傳統(tǒng)散熱片測試結(jié)果

表4 噴涂固態(tài)納米碳的散熱片測試結(jié)果

對傳統(tǒng)散熱片和表面噴涂固態(tài)納米碳散熱片整機測試完成后，將整機的蓋體表面溫度（散熱片上蓋中心的溫度值）進行對比分析，并繪制成折線圖，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)和表面噴涂固態(tài)納米碳散熱片整機蓋體表面溫度折線圖

根據(jù)上述測試實驗，可以得出：（1）傳統(tǒng)散熱片表面最高溫度為52.20℃，最低溫度為40.60℃，噴涂固態(tài)納米碳散熱片的表面最高溫度為48.20℃，最低溫度為36.80℃；（2）噴涂固態(tài)納米碳散熱片與傳統(tǒng)散熱片在所有拉載軟件下，均降低了4℃左右；（3）Idle狀態(tài)、Bu?rInTest、魯大師、TAT、3DMark完全拉載的情況下，噴涂固態(tài)納米碳散熱片表面溫度均較傳統(tǒng)散熱片的表面溫度低，并且噴涂固態(tài)納米碳散熱片表面溫度均在48.5℃以下（滿足本公司密閉式整機的熱設(shè)計規(guī)范：整機外表面最高溫度低于50℃）。

3 結(jié)束語

本文對碳材料進行了簡短地介紹，說明了固態(tài)納米碳散熱涂層具有優(yōu)良的熱力學(xué)特性。并對固態(tài)納米碳散熱片與傳統(tǒng)散熱片的散熱性能進行了對比分析，實驗結(jié)果表明：表面噴涂固態(tài)納米碳散熱片的散熱效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)散熱片。