碳纳米管复合材料的传热性能探究

陆庆瑞 刘伟军

【摘 要】近年来，随着微电子技术发展水平的提升，对于元器件体积的控制也越来越严格，为了缩小元器件空间，其体积逐步微小话，使体积小与高导热成为了对元器件导热材料的基本要求。目前，符合这一要求的材料有多种，但高分子导热复合材料无疑最适合，文章以碳纳米管复合材料为探究对象，对其传热性能进行了分析，在以碳纳米管作为导热填料时，其质量比例为0.3%，复合材料传热性分析中显示导热系数为0.940W/（m·K），可以发现及时导热填料质量较小，材料的传热性能也得到有效的优化，为此，希望此次研究能够为行业提供有益的启发。

【关键词】碳纳米管;复合材料;传热性能

电子设备是现阶段社会生产、生活领域不可或缺的工具，其使用频率高、工作负荷大，而为了使电子设备更加便捷，元器件实现了微小化设计，在功能多元、用途广泛、电路集成、体积小、轻便便携等多种要求下，对于元器件导热材料的性能有了更高的要求。目前广泛使用的复合材料有石墨烯、碳纳米管、环氧树脂等多种类型，文章以碳纳米管复合材料作为分析对象，对其传热性能进行探究，意在使复合材料能够得到科学、合理的运用。

一、材料制备

碳纳米管材料选择直径在10mm-20mm范围内的纯多壁碳纳米管，具有98%的纯度，利用电子显微镜扫描后的图像如图1所示。从图像中可以看出，碳原子为卷曲状。

复合材料制备过程中，按照比例将碳纳米管与无水乙醇溶液混合，通过超声进行分散，时间为15min;经过1h的干燥后，保障乙醇完全挥发后在材料中加入固化剂，混合后快速倒入模具中，进烘箱中固化，温度为80℃、时间为3h;固化结束进入到冷却环节，放在室温环境下，冷却后则会获得复合材料。

二、测量方法

此次研究中对碳纳米管复合材料传热性的测量采用TET技术，其是专门用于测量一维微尺度固体材料热扩散率的方法，其具有测量速度快、准确率高的优势，误差可以控制在<5%以内。具体来讲，如图2所示，将待测样品放置在两个铝电极之间，使样品与微电流源以及数字示波器之间保持着并联的关系，其中微电流源可以为本次实验的进行提供充足的脉冲方波直流电，而数字示波器可以全过程记录波形变化，确定位置后利用导电银胶进行固定。该测量方法的原理为：样品电阻会随着样品温度的变化而变化，通过直流电电流后，根据欧姆定律可知电阻变化后样品的电压也会出现变化，将电压变化情况利用波形进行反馈，由数字示波器进行记录，则可利用电压随时间变化情况表现样品温度变化情况[1]。但需要注意的是，由于复合材料本身并非导电材质，为了获得电压，其需要将待测样品放置在溅射真空镀膜仪中在表面镀金10mm，保障样品具有导电性。

图2 TET测量方法原理示意图

此次研究过程中设计到以下计算：1.一维传热下控制方程、2.样品平均温度、3.样品稳定状态平均温度计算、4.样品归一化温度计算、5.电压变化与温度关系计算、6.待测样品传热控制、7.样品归一化温升计算、8.电压变化与样品平均温度变化、9.减掉金膜影响计算、10.真实热扩散率与辐射效应和计算。对应公式如下：

三、传热性能计算

一是，热扩散率的计算。以碳纳米管质量比例为0.3%为例进行计算，先做好样品切割，将其放置在贝斯上，通过TET方法进行测试，利用高分贝显微镜对其进行观察可以确定样品的长度与宽度分别为1.990mm、0.344mm，实验中的电流值为7.2mA，在一个完成的加热周期内，瞬态电压变化情况从初始的0.428V稳定上升到0.438V，到达后则处于稳定状态，在0.428V、0.438V时电阻分别为59.44Ω与60.83Ω，拟合则可以获得样品的热扩散率[2]。为了保障计算结果的准确性，可以在相同条件下进行多次试验，求每次实验结果的平均值。

二是，温度电阻系数计算。电阻系数用 cp进行表示，但在测量过程中必须将镀金的影响减掉，否则并不能真实的反电阻系数。具体计算过程中，将加热板放置在加热环境中，并保障热电偶始终与样品保持密切连接，随着温度的下降在不同时段使用数字万用表测试样品电阻，通过线性拟合的方式计算出导热系数，再利用 =k/ cp则可以反推倒出样品的电阻系数，此次计算结果为0.528（106J·m-3·K-1）。

三是，辐射影响计算。辐射对复合材料的影响主要尤其长度决定，在计算出热扩散率基础上可以发现辐射影响与其之间存在线性关系，在无任何辐射影响情况下，相同样品的热扩散率始终保持相同，但辐射影响状态下相同样品不同长短之间却出现了差异，在辐射状态下选择不同长度的相同样品进行实验，可以发现样品的长度越长，其实现平衡耗费的时间则越长。因此，去掉辐射影响后，此次实验样品的最终热扩散率为1.788（107Jm2·s-1）。

四是，导热系数计算。在计算出真实热扩散率结果后，可以根据反推公式计算出材料的导热系数，最终的结果为0.940（W·m-1·K-1）.

结束语：

综上所述，文章以TET技术为测量方法对碳纳米管复合材料传热性能进行了探究，论述了方法的具体应用，并介绍了方法原理、计算方法等，充分考虑到实验当中各类情况，如镀金影响、辐射影响、辐射状态下不同长度样品热扩散率的不同，并进行了最终的导热系数计算。可以看出复合材料导热情况要明显优于单独使用碳纳米管填料，在以后的研究中可以混合导热填料，形成多种类复合材料，以便能够更清晰的了解每种导热填料的性能，从而在材料选择中做出更准确的判断与分析。

隨着未来科学技术的发展，高分子导热材料在市场上将有更广阔的发展空间，市场需求量也将不断提升，其良好的导热性能，是应用微电子设备制作中的最佳材料，文章对碳纳米管复合材料传热性能的研究可以发现及时在碳纳米管调料质量比例较低的情况下，也可以有效提升导热材料的传热性能，但研究中也暴露出诸多问题，仍然有较大的进步空间，希望未来的研究能够不断完善测量方法。

参考文献：

[1]黄金，李晓朋，王婷，等.基于MWCNTs/PA复合材料铜表面处理的传热性能[J].化工学报，2018，69（7）：2956-2963.

[2]李新芳，吴淑英.石蜡填充碳纳米管复合材料的制备与界面传热性能研究[J].低温与超导，2017，45（2）：88-92.

（作者单位：上海工程技术大学机械与汽车工程学院）