固态纳米碳涂层在工业控制计算机上的应用

2020-03-26江广浪付典林史洪波

机电工程技术 2020年2期

江广浪，付典林，史洪波

（研祥智能科技股份有限公司，广东深圳 518107）

0 引言

碳材料是目前人类认知的材料中功能较全、性能较优越、形式多样的材料，是目前已知很多材料不能比拟的。继硅时代之后，21世纪有望成为碳材料时代[1-3]。尤其是纳米碳材料丰富的形态，涵盖从零维、一维到二维结构，每次纳米碳材料的出现都引领了纳米科技的快速发展[4-6]。其中，碳纳米管可看成是一种石墨片卷曲结构，超强的C-C键使碳纳米管具有较强的力学性能和热传导性能，理论计算和实际测量表明，单壁碳纳米管拉伸强度可达150 GPa，弹性模量1 TPa，是钢铁的100倍，密度却只有其1/6，被誉为终极碳纤维。同时单壁碳纳米管室温导热系数高达6 000 W/m·K，多壁碳纳米管的室温导热系数也达3 000 W/m·K，是热导率较高的材料[7-8]。同时，碳纳米管表面积大，被誉为世界上最黑的物质，这种物质对光线的折射率只有0.045%，吸收率高达99.5%以上，辐射系数接近绝对黑体的1.0[9]。另外还具有优异的导电性能和超高的载流子输送密度，导电率接近金属，载流能力超过金属铜。众多优异的综合性能使碳纳米管自发现以来受到极大关注，是纳米材料和纳米技术的最典型代表，是散热涂料和复合材料最理想的功能填料[10-11]。

随着电子技术的发展，电子器件性能不断提高，但是电子器件的集成度大幅提高，体积越来越小，在长时间工作过程中会不可避免出现高热流密度问题[12]。在高功耗密闭式自然散热整机中，热量主要通过热辐射，传递至外界环境中，从而达到给整机降温的效果[13-15]。为了提高密闭式整机自然散热的效率，本文旨在对固态纳米碳散热涂层在密闭式自然散热整机上的应用进行分析，为今后的固态纳米碳散热涂层的应用提供技术指导。

1 固态纳米碳涂层散热片工作原理及优势

纳米碳涂层散热片是将微米厚度级别的纳米碳材料均匀涂布于铝散热片基材上，利用碳原子间的高导热效能，进行热传导，再由碳原子高热辐射效能，将热能转换为红外线射频，传递散热效能[16-17]。其表比热容一般，但面积大、质量轻，热传导、对流、热辐射性能极佳，整体散热效果相对传统铝挤散热片大幅提升[18]。纳米涂层散热片所具有的优势如下[19]。

（1）纳米涂层散热片充分利用了铝的高热传导性和纳米碳的高热辐射性，使散热效果更佳；

（2）纳米涂层散热片的加工更加环保，化学物品循环利用，避免有害的化学物或气体的排放；

（3）纳米涂层散热片的外形结构简单，加工工艺更简单，使用铝型材更少，整体比传统的铝型散热片更加节能、减排；

（4）散热片表面的纳米涂层耐高温、耐腐蚀、附着力强。

2 固态纳米碳散热片与传统散热片散热性能的对比分析

本文以本公司M60-S密闭式自然散热整机为研究对象，其整机配置如表1所示。在同一台整机上，分别使用表面未做任何处理的散热片（传统散热片）和表面喷涂固态纳米碳的散热片进行对比测试。

表1 本公司M60-S密闭式自然散热整机配置表

2.1 测试条件

2.1.1 Bios功耗管控设置

对2种不同散热片，分别将Bios功耗设置成Normal（CPU频率为动态状态）。

2.1.2 加载测试软件

加载测试软件包括：Idle状态、BurnInTest 8.1、鲁大师5.15、TAT 5.0.1008、3DMark 06、CPU-Z 1.85。加载测试软件配置如表2所示。

在上述测试条件下，分别对传统散热片（表面不做任何处理，如图1所示）和表面喷涂固态纳米碳的散热片（如图2所示）进行加载对比温升测试。

2.2 测试方案

在相同的环境下，分别对表面未做任何处理的散热片和表面喷涂固态纳米碳的散热片整机进行不同加载测试，并记录相关温度值。具体测试方案如下。

将设置BIOS为Normal状态，常温下整机idle、3DMark06、BurnInTest8.1、TAT5.0.1008、鲁大师5.15分别100%加载，保持3 h，达到热平衡，记录相关温度值。

表2 加载测试软件说明表

图1 传统散热片

图2 表面喷涂固态纳米碳的散热片

2.3 测试数据分析

在上述测试方案下，分别对传统散热片和表面喷涂固态纳米碳散热片整机进行测试，并记录相关测试数据，其测试结果如表3、表4所示。

表3 传统散热片测试结果

表4 喷涂固态纳米碳的散热片测试结果

对传统散热片和表面喷涂固态纳米碳散热片整机测试完成后，将整机的盖体表面温度（散热片上盖中心的温度值）进行对比分析，并绘制成折线图，如图3所示。

图3 传统和表面喷涂固态纳米碳散热片整机盖体表面温度折线图

根据上述测试实验，可以得出：（1）传统散热片表面最高温度为52.20℃，最低温度为40.60℃，喷涂固态纳米碳散热片的表面最高温度为48.20℃，最低温度为36.80℃；（2）喷涂固态纳米碳散热片与传统散热片在所有拉载软件下，均降低了4℃左右；（3）Idle状态、Bu⁃rInTest、鲁大师、TAT、3DMark完全拉载的情况下，喷涂固态纳米碳散热片表面温度均较传统散热片的表面温度低，并且喷涂固态纳米碳散热片表面温度均在48.5℃以下（满足本公司密闭式整机的热设计规范：整机外表面最高温度低于50℃）。