泡沫鎂CPU散熱性能的影響因素分析

王超星，王 芳，武建國，游曉紅，王錄才

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

多孔泡沫金屬是一種以金屬為基體、包含大量胞孔的新型輕質(zhì)多功能材料[1-2]。開孔泡沫金屬內(nèi)部為連續(xù)的金屬三維立體網(wǎng)絡(luò)，且孔隙率一般為50%～75%[3-4]，有的甚至高達(dá)90%以上，具有很大的比表面積。開孔泡沫金屬本身的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于實(shí)體金屬，甚至接近于阻熱材料，但它卻有望成為新型散熱材料，原因主要在于以下四點(diǎn)：

1）泡沫金屬本身的骨架部分是金屬實(shí)體。金屬本身具有良好的導(dǎo)熱性能，而且鎂合金的導(dǎo)熱性能也非常優(yōu)良[5]。

2）泡沫鎂合金是鎂合金實(shí)體部分和孔隙的復(fù)合體，復(fù)合體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生巨大的內(nèi)部面積，即復(fù)合體的比表面積相當(dāng)可觀。由此獲得的散熱面積對散熱能力的影響遠(yuǎn)大于損失的金屬實(shí)體部分的效能。

3）泡沫鎂合金內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的三位立體結(jié)構(gòu)。氣體在其中流動的過程中會產(chǎn)生非線性效果，湍流程度加強(qiáng)，使熱量交換更加強(qiáng)烈[6]。

4）相較于其他泡沫金屬，泡沫鎂合金具有一定的減震作用，所以泡沫金屬在電子器件的散熱器上應(yīng)用前景廣闊。而楊雪飛、馮妍卉對泡沫鋁開展了系統(tǒng)的熱分析[7]，通過數(shù)值模擬的結(jié)果表明泡沫鋁等效熱導(dǎo)率、泡沫金屬通道內(nèi)流動的對流換熱系數(shù)均對泡沫金屬孔徑較敏感，泡沫金屬的孔結(jié)構(gòu)影響著對流換熱的效果。綜合以上分析，泡沫材料金屬骨架材料的高熱傳導(dǎo)系數(shù)，孔穴內(nèi)強(qiáng)制對流換熱以及這些結(jié)構(gòu)中的高比表面積使它們具有優(yōu)良的換熱性能。本文就滲流鑄造法制備的泡沫鎂在CPU散熱器上及散熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備

實(shí)驗(yàn)采用滲流鑄造法制備出不同孔徑、孔隙率的泡沫鎂試樣。其制備過程為：將填料粒子在模具中緊實(shí)，預(yù)熱至一定溫度，熔融金屬在壓力的作用下滲入填料粒子的縫隙中，形成金屬和粒子的復(fù)合體。將制得的復(fù)合體經(jīng)過必要的機(jī)加工車床加工，清理溶出填料粒子，即可獲得三維聯(lián)通的泡沫鎂材料。制得的泡沫鎂試樣如圖1所示。滲流鑄造工藝原理如圖2所示。

圖1 測試用泡沫鎂試樣

圖2 滲流裝置示意圖

1.2 測量方法

為了得到不同孔結(jié)構(gòu)泡沫鎂散熱的情況，本實(shí)驗(yàn)?zāi)７码娔XCPU散熱器的條件對不同試樣的泡沫鎂進(jìn)行散熱測試，周圍用保溫石棉與空氣隔絕，即在泡沫鎂試樣上固定一電腦用風(fēng)扇并運(yùn)行，將泡沫鎂試樣通過導(dǎo)熱膠放在金屬板上，用功率2 k W的電阻絲加熱爐加熱金屬板使其緩慢升溫，加熱一段時(shí)間后金屬板溫度趨于穩(wěn)定，用熱電偶與數(shù)據(jù)采集儀連接采集溫度并記錄在電腦。試樣形狀如圖1所示。需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：

井式電阻爐（3k W）、溫度控制箱、熱電偶、坩堝、鋸弓、電子秤（量程為200g，精度為0.1g）、功率2 k W的電阻絲加熱爐。圖3為測試泡沫鎂散熱性能裝置示意圖。試驗(yàn)采用的材料是A Z 91 D鎂合金。

圖3 泡沫鎂散熱性能裝置示意圖

2 試驗(yàn)分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用L 9（34）正交表。表1給出了正交試驗(yàn)的水平和因子。

泡沫鎂的散熱品質(zhì)的指標(biāo)用試樣底端的溫度高低來表示，試驗(yàn)?zāi)康氖鞘菇饘侔宸€(wěn)定時(shí)的溫度盡量低。圖4為加熱一段時(shí)間后泡沫鎂各試樣溫度隨時(shí)間的變化曲線。我們?nèi)囟确€(wěn)定的值作為衡量散熱效果的好壞。表2給出了正交表和試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)?zāi)康氖鞘狗€(wěn)定溫度盡量小，故我們選用S型信噪比函數(shù)，即：

這里 n=1，公式（1）轉(zhuǎn)化為：

表1 實(shí)驗(yàn)水平和因子

表2 正交表和試驗(yàn)結(jié)果

圖4 9組試樣溫度時(shí)間曲線

計(jì)算各組試驗(yàn)的信噪比：S/N=η。根據(jù)以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以利用ANOVA方法，找出工藝條件的最佳組合和各個(gè)因素的影響程度，確定最大影響因素。

圖5為計(jì)算得出的不同工藝參數(shù)的信噪比比較。

圖5 不同工藝參數(shù)的信噪比比較

為了更準(zhǔn)確的探究各因素對散熱性能的影響，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到表3.

表3 泡沫鎂試樣散熱性能的方差分析表

物體的傳熱性能可以通孔傳熱系數(shù)來衡量，傳熱系數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)。熱流由泡沫鎂的下表面向上表面?zhèn)鲗?dǎo)的過程中將產(chǎn)生輻射，但由于試驗(yàn)中的溫度很低，其輻射傳熱基本可以忽略。所以影響泡沫鎂傳熱性能的主要是導(dǎo)熱和對流換熱兩個(gè)方面。由表3和圖5可知孔徑和孔隙率對試樣最終的穩(wěn)定溫度影響比較大，隨著孔隙率從50%～60%的增加，溫度有所下降，但是從60%～70%，溫度有下降且比較明顯。這可能是由于隨著孔隙率的增加，泡沫金屬內(nèi)的表面積增加，促使其散熱效果加強(qiáng)，流體在其內(nèi)部運(yùn)動時(shí)，湍流程度比較大從而能使其更劇烈的換熱，孔隙率較小的泡沫鎂骨架較密，泡沫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對對流阻力的影響明顯增加，導(dǎo)致強(qiáng)迫對流的流量減小，而孔隙率較大的鎂泡沫骨架較為稀疏，流動阻力對強(qiáng)迫對流流量的影響占次要地位，孔密度較大的鎂泡沫的比表面積較大，其換熱能力較強(qiáng)，換熱熱阻較??；隨著孔徑的增加，溫度降低明顯，這是因?yàn)殡S著孔徑的增加，便于熱交換的進(jìn)行。厚度大的泡沫金屬能產(chǎn)生大的熱量轉(zhuǎn)移，增加泡沫厚度能增加其傳熱水平，因?yàn)榈玫搅烁髮α飨禂?shù)和泡沫金屬兩面更大的溫差[8]，但是隨著厚度的增加它的這種效果會減弱。

從圖5可以看出信噪比最大的分別為：A3、B3、C2，即最佳工藝參數(shù)組合為A3 B3 C2.其中孔徑對散熱效果影響最大，孔隙率次之，高度最小。這表明選擇高孔隙率的金屬作為多孔結(jié)構(gòu)骨架有利于對流換熱的進(jìn)行，泡沫金屬的孔徑增大也會增強(qiáng)換熱性能。

由以上數(shù)據(jù)可知，B因素即泡沫鎂的孔徑大小是影響散熱的最顯著因素。這為后面將要進(jìn)行的CPU散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

3 結(jié) 論

1）泡沫鎂的散熱效果跟泡沫鎂的孔結(jié)構(gòu)和形狀有關(guān)。

2）通過對正交試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出各參數(shù)對散熱效果影響程度，由高到低依次是孔徑、孔隙率、高度，在考慮范圍內(nèi)的最佳組合為孔徑為2.2mm～3.2mm，孔隙率為70%，厚度為35mm.

［1］Hwang S W，Jung H H，Hyun S H et al.Effective preparation of crack-free silica aerogels via ambient drying ［J］.JSol-Gel Sci Techn，2007（41）：139.

［2］武建國，王錄才，王芳.泡沫鋁復(fù)合材料負(fù)壓滲流工藝的研究及缺陷分析［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2011（2）：6-9.

［3］DaviesgJ，Zhen S.Metallic foam：their production，properties and applications.J Mat Sci［J］，1983，18：1899-1911.

［4］徐夢欣，王錄才，王芳，等.鎂合金泡沫化研究進(jìn)展［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2010（3）：45-50.

［5］王超星.通孔泡沫金屬傳熱性能研究進(jìn)展［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2011（5）：42-44.

［6］徐夢欣.泡沫鎂合金的制備與性能研究［D］.太原：太原科技大學(xué)，2009.

［7］楊雪飛.泡沫鋁通道內(nèi)對流換熱的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究［D］.北京：北京科技大學(xué)，2009.