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石墨烯微通道散热器的传热特性

时间：2025-04-23 01:43 所属分类：科技技术论文 点击次数：

摘要：为了改善传统微通道散热器的传热特性，提岀了一种新型的微通道散热器，相较于传统直通道散热器，不仅增加了横向通道，而且在传热板的下表面覆加了具有超高热导率的石墨烯层，利用数值分析的方法研究添加了横向通道和石墨烯层后的微通道散热器和传统直-

　　摘要：为了改善传统微通道散热器的传热特性，提岀了一种新型的微通道散热器，相较于传统直通道散热器，不仅增加了横向通道，而且在传热板的下表面覆加了具有超高热导率的石墨烯层，利用数值分析的方法研究添加了横向通道和石墨烯层后的微通道散热器和传统直通道散热器的传热特性。结果表明：横向通道的加入降低了微通道散热器受热面最高温度、最低温度和温差，并且随着热通量的增加，降低幅度增大。石墨烯层的加入使温差大幅度降低，进一步改善了散热效果。

　　关键词：微通道散热器;石墨烯;散热;数值分析

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　　石墨烯因其优异的性能在很多领域具有广阔的应用前景。目前石墨烯薄膜主要是以铜作为催化基底，通过化学气相沉积法制备。这种方法制备的石墨烯薄膜需要被转移到目标基底上进行后续应用，而转移过程则会对石墨烯造成污染，进而影响石墨烯的性质及器件的性能。如何减少或避免污染，实现石墨烯的洁净转移，是石墨烯薄膜转移技术研究的重要课题，也是本综述的主题。

　　0引言

　　随着现代电子芯片集成度的增加、功耗的上升和尺寸的减小，快速增加的芯片系统发热成了急需解决的一项重大难题。一般地，元器件的失效率随着器件温度的上升呈指数规律上升，传统的冷却手段已不能满足未来先进电子元器件(如高功率微波、毫米波器件及机载、星载电子设备等)的散热要求。解决高热流密度电子元器件的散热问题需要新的突破，这使得芯片散热成为了现代微纳电子器件与微系统开发和应用中的一项关键技术1O微机电系统即MEMS技术在过去的30年间取得了迅速发展。20世纪80年代由TuckermanDB等人利用在微加工技术基础上提出微通道散热器⑵。由于其尺度微细，面积体积比增大，表面作用增强，从而改善传热效果，且具有结构紧凑、质量轻、运行安全可靠等特点。

　　近十多年来关于微通道换热器的研究和应用发展得非常迅速，对微通道的结构、截面形状、管道分布与流体介质等都进行了深入探讨，从各个方面来改善提高散热效果⑺歹。2004年，NovoselovKS等人证明石墨烯的单独存在"，引发了石墨烯的研究热潮。石墨烯具有优异的导热性能，公开报道的石墨烯的导热性能最大，甚至超过5000W/m-K[7]o石墨烯具有超高热导率的主要原因是其碳碳共价键强而碳原子质量小，声子具有较高的速度，石墨烯通过声子以弹道-扩散方式传输热量⑻。目前，石墨烯及其复合材料的导热性能与应用成为一个热点。

　　2015年，麻省理工的最新研究表明在金属表面添加石墨烯涂层可以极大提高金属整体热传导效率，最高可以达到7倍⑼。目前国内外学者对石墨烯和微通道散热器的研究已有很多，但没有将石墨烯涂层引入微通道散热器中的研究报道。本文首次在硅基微通道散热器上壁面增加一层石墨烯涂层，并且在传统直通道散热器基础上增加横向通道，增大了流体与基底和传热板的接触面积，通过数值分析的方法来研究石墨烯涂层和横向通道对微通道散热器传热特性的影响。

　　1微通道散热器原理、结构与尺寸

　　微通道散热器的整体结构，整体散热器分成3个部分:下层的硅基微通道，传热板和传热板与流体之间的石墨烯涂层。电子器件放置于传热板上表面，通过接触换热，流体带走传热板的热量。传热板可采用不同金属材料，采用磁控溅射金属薄膜，一般来说传热板厚度低于100Jim时，其热阻就可以忽略不计，同时考虑到强度要求，传热板厚度设置为100pm""。采用气相沉积法得到石墨烯，并转移到金属薄膜表层，石墨烯层的厚度为40jim。

　　2数值模拟

　　2.1数学模型

　　为了分析散热器结构和石墨烯层对微通道散热器的散热能力的影响，本文采用ICEM15.0划分网格，有限元软件Fluent15.0对整个散热器的流固区域的流体分布和传热进行计算。散热器实际工作是一个复杂的热传导系统，受到很多因素的影响，为了简化工作，假设:散热器处于绝热环境;流固的材料属性是固定的;流体为不可压缩流。

　　2.2边界条件和材料参数

　　散热器工作环境为298K，进出口温度均设置为298K。散热器进口采用速度边界条件，出口为压力边界条件，假定外界气压为大气压，出口压力设置为0MPa0流体和固体接触面无滑移，散热器顶面受不同大小恒定热通量加热，即设置为恒定热流量边界条件。假定散热器处于绝热环境，所以，不考虑壁面的自然对流散热和辐射散热。

　　2.3网格有效性验证

　　为了得到较好的网格质量，整个计算域均使用ICEM划分成各小块，然后得到结构网格。选取3种典型的网格数量进行独立性验证，数量分别为51万网格(较少)，92万网格(较多)和136万网格(很多)。一般来说，在相同质量基础上，网格越多计算精度越高，但随着网格数量的增大，需要耗费的计算资源也越多。入口流速为lm/s，施加恒定热流量为30W/cn?选取散热器上表面长度方向边线作为比较区间，边线各节点的温度作为比较参数。网格数为51万的模型计算结果和136万的计算结果相比误差较大，而92万与136万计算结果相比，误差很小，温度几乎一致。这说明92万的网格计算结果比较准确，而且相对于136万网格计算更快。综合计算量和精度考虑，选择数量为92万个网格作为最终计算模型。

　　3结果与讨论

　　3.1散热器结构的影响

　　微通道散热器常用于高速计算芯片，微纳传感器与执行器等精密电子器件中，对散热器要求较高，不仅要考虑散热性，还要考虑安全性、可靠性等。由于散热器的受热面与被散热物体直接接触，所以选择该面作为散热器散热性能的参考面。电子器件一般有极限工作温度的限制，最高温度是评价散热器散热能力的重要参数。温差也是制约散热器应用的重要因素，温差过大会引起电子器件热应力不均，从而会致使器件损毁失效。散热器的最高温度越低、温差越小，散热器的综合性能越好。相对于传统直通道，横向通道的加入增加了流固传热面积。

　　受热面最高温度和最低温度随热流量的变化趋势。两种结构散热器受热面温度均随着热通量的增大而增大。新结构的最高温度和最低温度均低于直通道结构，并且随着热通量的增大两者结构之间的温差差异越大。因此，从散热面最高温度的角度来看，横向通道的加入有效的提高了散热器的散热能力。

　　3.2石墨烯层的影响

　　石墨烯具有超高热导率，在硅表面转移一层石墨烯，可以提高复合材料整体导热率。在流量为100mm3/s，热通量从10W/cm2至60W/cm2，添加石墨烯层和不添加石墨烯受热面最高温度和最低温度变化趋势。在各恒定热通量下，添加石墨烯层的散热器最高温度略低于没有添加石墨烯层的，但添加石墨烯层的石墨烯温差较大幅度小于没有添加石墨烯的散热器。

　　4结论

　　通过对石墨烯-硅复合材料的横向微通道散热器的数值仿真，可以得到如下结论：1)在直通道基础上添加横向通道，有利于流体与固体充分换热，降低了散热器的最高温度和温差。各横向通道都保持了较高的流速，各横向通道的流速差异较小。2)添加石墨烯层，得到石墨烯-硅复合材料的散热器具有相比于硅散热器具有更小的温差和更小的最高温度。

　　参考文献：

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