摘要：為了改善傳統(tǒng)微通道散熱器的傳熱特性，提岀了一種新型的微通道散熱器，相較于傳統(tǒng)直通道散熱器，不僅增加了橫向通道，而且在傳熱板的下表面覆加了具有超高熱導(dǎo)率的石墨烯層，利用數(shù)值分析的方法研究添加了橫向通道和石墨烯層后的微通道散熱器和傳統(tǒng)直通道散熱器的傳熱特性。結(jié)果表明：橫向通道的加入降低了微通道散熱器受熱面最高溫度、最低溫度和溫差，并且隨著熱通量的增加，降低幅度增大。石墨烯層的加入使溫差大幅度降低，進(jìn)一步改善了散熱效果。

　　關(guān)鍵詞：微通道散熱器;石墨烯;散熱;數(shù)值分析

　　相關(guān)論文范文：化學(xué)氣相沉積石墨烯薄膜的潔凈轉(zhuǎn)移

　　石墨烯因其優(yōu)異的性能在很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前石墨烯薄膜主要是以銅作為催化基底，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備。這種方法制備的石墨烯薄膜需要被轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用，而轉(zhuǎn)移過(guò)程則會(huì)對(duì)石墨烯造成污染，進(jìn)而影響石墨烯的性質(zhì)及器件的性能。如何減少或避免污染，實(shí)現(xiàn)石墨烯的潔凈轉(zhuǎn)移，是石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)研究的重要課題，也是本綜述的主題。

　　0引言

　　隨著現(xiàn)代電子芯片集成度的增加、功耗的上升和尺寸的減小，快速增加的芯片系統(tǒng)發(fā)熱成了急需解決的一項(xiàng)重大難題。一般地，元器件的失效率隨著器件溫度的上升呈指數(shù)規(guī)律上升，傳統(tǒng)的冷卻手段已不能滿足未來(lái)先進(jìn)電子元器件(如高功率微波、毫米波器件及機(jī)載、星載電子設(shè)備等)的散熱要求。解決高熱流密度電子元器件的散熱問(wèn)題需要新的突破，這使得芯片散熱成為了現(xiàn)代微納電子器件與微系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)1O微機(jī)電系統(tǒng)即MEMS技術(shù)在過(guò)去的30年間取得了迅速發(fā)展。20世紀(jì)80年代由TuckermanDB等人利用在微加工技術(shù)基礎(chǔ)上提出微通道散熱器⑵。由于其尺度微細(xì)，面積體積比增大，表面作用增強(qiáng)，從而改善傳熱效果，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。

　　近十多年來(lái)關(guān)于微通道換熱器的研究和應(yīng)用發(fā)展得非常迅速，對(duì)微通道的結(jié)構(gòu)、截面形狀、管道分布與流體介質(zhì)等都進(jìn)行了深入探討，從各個(gè)方面來(lái)改善提高散熱效果⑺歹。2004年，NovoselovKS等人證明石墨烯的單獨(dú)存在"，引發(fā)了石墨烯的研究熱潮。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，公開(kāi)報(bào)道的石墨烯的導(dǎo)熱性能最大，甚至超過(guò)5000W/m-K[7]o石墨烯具有超高熱導(dǎo)率的主要原因是其碳碳共價(jià)鍵強(qiáng)而碳原子質(zhì)量小，聲子具有較高的速度，石墨烯通過(guò)聲子以彈道-擴(kuò)散方式傳輸熱量⑻。目前，石墨烯及其復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能與應(yīng)用成為一個(gè)熱點(diǎn)。

　　2015年，麻省理工的最新研究表明在金屬表面添加石墨烯涂層可以極大提高金屬整體熱傳導(dǎo)效率，最高可以達(dá)到7倍⑼。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)石墨烯和微通道散熱器的研究已有很多，但沒(méi)有將石墨烯涂層引入微通道散熱器中的研究報(bào)道。本文首次在硅基微通道散熱器上壁面增加一層石墨烯涂層，并且在傳統(tǒng)直通道散熱器基礎(chǔ)上增加橫向通道，增大了流體與基底和傳熱板的接觸面積，通過(guò)數(shù)值分析的方法來(lái)研究石墨烯涂層和橫向通道對(duì)微通道散熱器傳熱特性的影響。

　　1微通道散熱器原理、結(jié)構(gòu)與尺寸

　　微通道散熱器的整體結(jié)構(gòu)，整體散熱器分成3個(gè)部分:下層的硅基微通道，傳熱板和傳熱板與流體之間的石墨烯涂層。電子器件放置于傳熱板上表面，通過(guò)接觸換熱，流體帶走傳熱板的熱量。傳熱板可采用不同金屬材料，采用磁控濺射金屬薄膜，一般來(lái)說(shuō)傳熱板厚度低于100Jim時(shí)，其熱阻就可以忽略不計(jì)，同時(shí)考慮到強(qiáng)度要求，傳熱板厚度設(shè)置為100pm""。采用氣相沉積法得到石墨烯，并轉(zhuǎn)移到金屬薄膜表層，石墨烯層的厚度為40jim。

　　2數(shù)值模擬

　　2.1數(shù)學(xué)模型

　　為了分析散熱器結(jié)構(gòu)和石墨烯層對(duì)微通道散熱器的散熱能力的影響，本文采用ICEM15.0劃分網(wǎng)格，有限元軟件Fluent15.0對(duì)整個(gè)散熱器的流固區(qū)域的流體分布和傳熱進(jìn)行計(jì)算。散熱器實(shí)際工作是一個(gè)復(fù)雜的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，受到很多因素的影響，為了簡(jiǎn)化工作，假設(shè):散熱器處于絕熱環(huán)境;流固的材料屬性是固定的;流體為不可壓縮流。

　　2.2邊界條件和材料參數(shù)

　　散熱器工作環(huán)境為298K，進(jìn)出口溫度均設(shè)置為298K。散熱器進(jìn)口采用速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，假定外界氣壓為大氣壓，出口壓力設(shè)置為0MPa0流體和固體接觸面無(wú)滑移，散熱器頂面受不同大小恒定熱通量加熱，即設(shè)置為恒定熱流量邊界條件。假定散熱器處于絕熱環(huán)境，所以，不考慮壁面的自然對(duì)流散熱和輻射散熱。

　　2.3網(wǎng)格有效性驗(yàn)證

　　為了得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量，整個(gè)計(jì)算域均使用ICEM劃分成各小塊，然后得到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。選取3種典型的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，數(shù)量分別為51萬(wàn)網(wǎng)格(較少)，92萬(wàn)網(wǎng)格(較多)和136萬(wàn)網(wǎng)格(很多)。一般來(lái)說(shuō)，在相同質(zhì)量基礎(chǔ)上，網(wǎng)格越多計(jì)算精度越高，但隨著網(wǎng)格數(shù)量的增大，需要耗費(fèi)的計(jì)算資源也越多。入口流速為lm/s，施加恒定熱流量為30W/cn?選取散熱器上表面長(zhǎng)度方向邊線作為比較區(qū)間，邊線各節(jié)點(diǎn)的溫度作為比較參數(shù)。網(wǎng)格數(shù)為51萬(wàn)的模型計(jì)算結(jié)果和136萬(wàn)的計(jì)算結(jié)果相比誤差較大，而92萬(wàn)與136萬(wàn)計(jì)算結(jié)果相比，誤差很小，溫度幾乎一致。這說(shuō)明92萬(wàn)的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，而且相對(duì)于136萬(wàn)網(wǎng)格計(jì)算更快。綜合計(jì)算量和精度考慮，選擇數(shù)量為92萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格作為最終計(jì)算模型。

　　3結(jié)果與討論

　　3.1散熱器結(jié)構(gòu)的影響

　　微通道散熱器常用于高速計(jì)算芯片，微納傳感器與執(zhí)行器等精密電子器件中，對(duì)散熱器要求較高，不僅要考慮散熱性，還要考慮安全性、可靠性等。由于散熱器的受熱面與被散熱物體直接接觸，所以選擇該面作為散熱器散熱性能的參考面。電子器件一般有極限工作溫度的限制，最高溫度是評(píng)價(jià)散熱器散熱能力的重要參數(shù)。溫差也是制約散熱器應(yīng)用的重要因素，溫差過(guò)大會(huì)引起電子器件熱應(yīng)力不均，從而會(huì)致使器件損毀失效。散熱器的最高溫度越低、溫差越小，散熱器的綜合性能越好。相對(duì)于傳統(tǒng)直通道，橫向通道的加入增加了流固傳熱面積。

　　受熱面最高溫度和最低溫度隨熱流量的變化趨勢(shì)。兩種結(jié)構(gòu)散熱器受熱面溫度均隨著熱通量的增大而增大。新結(jié)構(gòu)的最高溫度和最低溫度均低于直通道結(jié)構(gòu)，并且隨著熱通量的增大兩者結(jié)構(gòu)之間的溫差差異越大。因此，從散熱面最高溫度的角度來(lái)看，橫向通道的加入有效的提高了散熱器的散熱能力。

　　3.2石墨烯層的影響

　　石墨烯具有超高熱導(dǎo)率，在硅表面轉(zhuǎn)移一層石墨烯，可以提高復(fù)合材料整體導(dǎo)熱率。在流量為100mm3/s，熱通量從10W/cm2至60W/cm2，添加石墨烯層和不添加石墨烯受熱面最高溫度和最低溫度變化趨勢(shì)。在各恒定熱通量下，添加石墨烯層的散熱器最高溫度略低于沒(méi)有添加石墨烯層的，但添加石墨烯層的石墨烯溫差較大幅度小于沒(méi)有添加石墨烯的散熱器。

　　4結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)石墨烯-硅復(fù)合材料的橫向微通道散熱器的數(shù)值仿真，可以得到如下結(jié)論：1)在直通道基礎(chǔ)上添加橫向通道，有利于流體與固體充分換熱，降低了散熱器的最高溫度和溫差。各橫向通道都保持了較高的流速，各橫向通道的流速差異較小。2)添加石墨烯層，得到石墨烯-硅復(fù)合材料的散熱器具有相比于硅散熱器具有更小的溫差和更小的最高溫度。

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