碳納米管在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展*

劉芬芬，尹本浩

(西南電子設(shè)備研究所， 四川 成都 610000)

碳納米管在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展*

劉芬芬，尹本浩

(西南電子設(shè)備研究所， 四川 成都 610000)

碳納米管憑借其高導(dǎo)熱率、大比表面積、低膨脹系數(shù)和低密度，成為熱管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文中根據(jù)熱管理技術(shù)的分類，分別調(diào)研了碳納米管在熱界面材料、微通道散熱、熱管及高導(dǎo)熱基板等中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，碳納米管可在一定程度上提高散熱性能。然而，由于工藝及傳熱機(jī)理的復(fù)雜性，許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果比理論預(yù)期要差。隨著傳熱機(jī)理和工藝的進(jìn)一步成熟，碳納米管將在熱管理領(lǐng)域展現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能,且其軍事應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用均指日可待。

碳納米管；熱界面材料；熱管；微通道

引 言

隨著電子器件功率和集成度的不斷提高，芯片的總熱量和熱流密度均迅速增大，散熱成了制約微電子發(fā)展的技術(shù)瓶頸。針對(duì)這一難題，研究人員開(kāi)展了關(guān)于高導(dǎo)熱材料、微通道液冷、相變散熱等多途徑的研究與探索，試圖找到最優(yōu)的解決方案。

碳納米管(Carbon Nanotubes，CNTs)作為一種新興納米材料，具有高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)、高比強(qiáng)度及輕質(zhì)地等眾多優(yōu)點(diǎn)，其中軸向?qū)崧士筛哌_(dá)3 000 W/(m·K)[1]。隨著其制備和生長(zhǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各國(guó)學(xué)者均試圖將其應(yīng)用到熱管理領(lǐng)域中。

在一般的電子設(shè)備中，熱量從芯片傳到熱沉，傳熱途徑中的主要熱阻有3層[2]：芯片與芯片載板之間的熱阻、芯片載板與模塊之間的熱阻及模塊與冷卻源之間的熱阻。針對(duì)各層熱阻，從芯片端開(kāi)始，常用的熱管理方案依次為熱界面材料、高導(dǎo)熱基板、熱管及風(fēng)冷或液冷散熱器。

本文針對(duì)上述常用的熱管理技術(shù)，分別對(duì)碳納米管目前的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行梳理和總結(jié)，試圖全面展現(xiàn)碳納米管在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 碳納米管簡(jiǎn)介

碳納米管又名巴基管，屬于富勒碳系，由日本電子公司(NEC)的飯島博士于1991年發(fā)現(xiàn)[3]。它主要由單層到數(shù)十層的同軸圓管(由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成)構(gòu)成，也可以看作是由石墨烯片層卷曲而成，因此按照石墨烯片的層數(shù)可分為單壁碳納米管(Single-walled Carbon Nanotubes，SWCNTs)和多壁碳納米管(Multi-walled Carbon Nanotubes，MWCNTs)。其徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，層與層之間的間距約為0.34 nm，兩端呈封閉狀態(tài)。

碳納米管以其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有極高的導(dǎo)熱率。研究表明，單根MWCNTs在室溫下的導(dǎo)熱率高于6000W/(m·K)，而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)也高達(dá)3 000 W/(m·K)，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前廣泛應(yīng)用的鋁合金和銅等金屬材料，甚至超越了金剛石。同時(shí)，碳納米管還具有熱膨脹系數(shù)低、強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕及輕質(zhì)等眾多優(yōu)點(diǎn)。因此，碳納米管成了熱管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 碳納米管在各熱管理技術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 碳納米管應(yīng)用于熱界面材料

熱界面材料(Thermal Interface Material, TIM)通常用于連接熱源和熱沉，以便將熱量快速傳遞出來(lái)，故高導(dǎo)熱率是其最重要的性能指標(biāo)。為了滿足不斷提高的芯片功率和微型化趨勢(shì)，TIM的熱阻值期望降低至1mm2·K/W以下,或者厚度為100μm時(shí)仍不高于5 mm2·K/W。傳統(tǒng)的TIM一般是在聚合物內(nèi)添加導(dǎo)熱粒子(如金屬、陶瓷、炭黑等)[4]，然而即使性能出眾的聚合物焊料(Polymer-solder-hybrid，PSH)熱阻也在6 mm2·K/W以上，且大部分傳統(tǒng)TIM均存在老化、失效、滲漏等系列問(wèn)題[5]，因此，關(guān)于高性能TIM的研究一直在不斷迭代中。

碳納米管具有導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，基本滿足了TIM的所有要求。文獻(xiàn)[6]對(duì)碳納米管在熱界面材料中的優(yōu)勢(shì)做了詳盡的總結(jié)。在目前的研究中，碳納米管以垂直陣列(VACNTs)和隨機(jī)分布2種形式存在于TIM中，其中垂直陣列又分為單向和雙向垂直排列2種。文獻(xiàn)[7-8]研究了將碳納米管摻雜到TIM中對(duì)接觸導(dǎo)熱率的影響。結(jié)果表明它可以將接觸導(dǎo)熱率提高65%～125%，但最高導(dǎo)熱率不超過(guò)10 W/(m·K)。2004年，文獻(xiàn)[9]首次提出碳納米管在界面上有序排列可有效降低界面熱阻。碳納米管的方向統(tǒng)一性可以更好地發(fā)揮它的軸向高導(dǎo)熱率優(yōu)點(diǎn)，將熱量更快地朝特定的方向疏導(dǎo)，同時(shí)直立的碳納米管可以更好地適應(yīng)粗糙的接觸面，降低接觸熱阻。隨后，文獻(xiàn)[10-15]均驗(yàn)證了文獻(xiàn)[9]的結(jié)論，相關(guān)的研究數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 多種CNTs-TIM熱阻測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

從表1可以看出，測(cè)試結(jié)果差異較大，接觸熱阻最小可達(dá)到15 mm2·K/W，最大可達(dá)105 mm2·K/W，大部分結(jié)果位于20 mm2·K/W左右。除了測(cè)試和工藝誤差不可控因素外，不同的復(fù)合基體、制備方法均會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。與此同時(shí)，大量研究發(fā)現(xiàn)，陣列中碳管結(jié)構(gòu)、密度及高度均對(duì)碳納米管陣列的導(dǎo)熱能力有較大影響。

由于碳納米管本身的支撐強(qiáng)度差，在使用過(guò)程中容易變形，故可添加一定的復(fù)合基體來(lái)維持其結(jié)構(gòu)形貌的穩(wěn)定性。另一方面，碳納米管陣列在水平方向上導(dǎo)熱率過(guò)低，可通過(guò)填料來(lái)增強(qiáng)。故眾多學(xué)者在純碳納米管陣列TIM的基礎(chǔ)上，研究了各種CNTs復(fù)合型TIM。目前最常用的復(fù)合基體為金屬和聚合物。

文獻(xiàn)[16]研究了填充了銅的CNTs熱界面材料。該TIM由70%的Cu和CNTs以及30%的空隙組成。Cu的添加既能改善TIM的機(jī)械穩(wěn)定性，又能增加平面導(dǎo)熱率。經(jīng)測(cè)試，CNT-Cu TIM的熱阻為96 ～105 mm2·K/W，遠(yuǎn)低于對(duì)比者CNTs的熱阻值242 mm2·K/W。

文獻(xiàn)[17]研究了MWCNTs/環(huán)氧樹(shù)脂及MWCNTs/納米銅/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的傳熱特性及邊界熱阻。試驗(yàn)表明，盡管可以通過(guò)添加碳納米管明顯提升環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但同時(shí)也降低了其流動(dòng)性，進(jìn)而使該復(fù)合材料與上下端界面處形成的邊界熱阻急劇惡化。經(jīng)測(cè)試，制備得到的MWCNTs/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的摻雜比例)的最小接觸熱阻約為17 mm2·K/W,而MWCNTs/納米銅/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的最小接觸熱阻為15.1 mm2·K/W。

文獻(xiàn)[13]在陣列碳納米管的基礎(chǔ)上研究了添加CNTs對(duì)相變材料(PCM)導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱性能的影響。文獻(xiàn)測(cè)試對(duì)比了在銅和硅之間使用CNTs、PCM和CNTs-PCM時(shí)的界面熱阻。結(jié)果顯示，CNTs陣列熱界面材料的最小熱阻為19.8 mm2·K/W，PCM熱界面材料的最小熱阻為16.28 mm2·K/W，而CNTs-PCM熱界面材料的最小熱阻可達(dá)5.2 mm2·K/W，約為前者的1/3。

隨著CNTs-TIM研究的日益成熟，部分成果開(kāi)始向軍事和商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行轉(zhuǎn)化。2012年，為了解決GaN芯片的散熱問(wèn)題，Raytheon公司聯(lián)合佐治亞理工學(xué)院、普渡大學(xué)共同研發(fā)了一種CNTs-TIM[12]，如圖1所示。最終結(jié)果表明，該種銅箔兩面生長(zhǎng)陣列碳納米管的TIM 面熱阻為普通環(huán)氧樹(shù)脂類TIM的1/3。

圖1 銅箔碳納米管熱界面材料示意圖

在國(guó)內(nèi)商業(yè)應(yīng)用研究方面，中科院蘇州納米研究所一直處于領(lǐng)先地位。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制碳納米管長(zhǎng)度、管徑等參數(shù)，制備出了具有理想三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性碳納米管紙。其使用效果優(yōu)于導(dǎo)熱硅脂和商用散熱石墨片，同時(shí)具有固態(tài)自支撐特性，在作為熱界面材料時(shí)，能夠在不污染器件表面的前提下實(shí)現(xiàn)高效傳熱。另外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，他們將高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的銅納米線引入碳納米管紙，最終實(shí)現(xiàn)了10 W/(m·K)的導(dǎo)熱率和超過(guò)105 S/m的電導(dǎo)率。

在LED領(lǐng)域，文獻(xiàn)[18-19]在鋁合金板上直接生長(zhǎng)VACNT作為熱界面材料用于LED的散熱，其封裝示意圖如圖2所示，并研究了兩側(cè)生長(zhǎng)VACNT的散熱結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果顯示，熱阻僅為傳統(tǒng)TIM的30%。

圖2 CNT作為熱界面材料的LED封裝示意圖

綜上所述，CNTs在TIM中的應(yīng)用方式多樣化，既可以用于改進(jìn)現(xiàn)有的環(huán)氧樹(shù)脂或相變類TIM，也可以其為主體制成全新的TIM。相關(guān)研究證明，無(wú)論哪種應(yīng)用方式均存在極大的可行性及優(yōu)勢(shì)。然而，由于碳納米管陣列的傳熱機(jī)理和工藝比較復(fù)雜，目前CNTs-TIM的性能差異較大，且遠(yuǎn)未達(dá)到理論期望值。但是，隨著工藝的不斷成熟和研究的不斷深入，其優(yōu)勢(shì)將日益突出，必將成為未來(lái)最有潛力的減小接觸熱阻的方法之一。

2.2 碳納米管用于微通道冷卻器

20世紀(jì)80年代初，文獻(xiàn)[20]針對(duì)IC電路集成度不斷提高的現(xiàn)狀，提出了微通道散熱技術(shù)，試圖在盡可能小的體積下帶走盡可能多的熱量。為了進(jìn)一步加強(qiáng)傳統(tǒng)微通道的散熱能力，上海大學(xué)與查爾默斯理工大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)于2004年提出利用碳納米管的超高導(dǎo)熱率和比表面積提高傳統(tǒng)微通道冷卻器散熱性能的想法[21]。他們給出了2種可行的途徑：1)用碳納米管陣列取代硅或銅作為散熱翅片的材料；2)將碳納米管覆蓋于微通道表面。在隨后的工作中，他們對(duì)途徑1開(kāi)展了理論計(jì)算、數(shù)值模擬、樣件制造及測(cè)試驗(yàn)證等一系列研究工作[22-25]。圖3為碳納米管微通道的示意圖和實(shí)物光學(xué)顯微鏡圖。數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均表明，相對(duì)于沒(méi)有翅片和硅翅片的冷卻器，有碳納米管翅片的冷卻器效率分別提高了至少15%和10%。同時(shí)，他們也驗(yàn)證了碳納米管微通道的耐磨損性和穩(wěn)固性。

圖3 CNTs微通道

文獻(xiàn)[26]同樣采用途徑1的方式，模擬了微通道冷卻器的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景之一：在芯片的背面安裝碳納米管風(fēng)冷散熱器。它直接在硅襯底上制作了1.2mm× 1.0 mm × 1.0 mm的碳納米管陣列針狀微通道冷卻器，制作工序和成品如圖4所示。文獻(xiàn)測(cè)試了在自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流情況下銅陣列和碳納米管陣列微通道冷卻器的性能。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果接近，均具有較好的散熱效果。同時(shí)，文獻(xiàn)提出，通過(guò)優(yōu)化CNTs的高度、平面尺寸、翅片密度、翅片位置等參數(shù)，可進(jìn)一步提高其散熱能力。圖5為相關(guān)研究中不同視角下的CNTs 針狀陣列微通道圖片。

圖4 碳納米管陣列針狀散熱器組裝過(guò)程

圖5 不同視角下的CNTs針狀陣列微通道圖片

2013年，文獻(xiàn)[27]通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)比了鍍碳納米管的銅翅片和硅翅片風(fēng)冷微通道冷卻器的散熱性能。結(jié)果顯示，銅基鍍碳納米管微通道冷卻器的散熱性能要優(yōu)于硅基鍍碳納米管微通道冷卻器，在相同條件下，前者的平均熱阻為9 cm2·K/W時(shí)，后者約為12 cm2·K/W。

文獻(xiàn)[28-29]則對(duì)途徑2的方案進(jìn)行了再研究。對(duì)具有碳納米管涂層的銅基、硅基微通道冷卻器在沸騰狀態(tài)下的熱相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了研究。研究表明，在低流速下，CNTs能夠讓去離子水在同等邊界條件下更低溫度時(shí)達(dá)到沸騰狀態(tài)，且沸騰程度更劇烈，從而提高散熱效率。

2014年，文獻(xiàn)[30]對(duì)比研究了長(zhǎng)碳納米管(2 000 μm)陣列、短碳納米管(500 μm)陣列和絮狀納米管分別用于風(fēng)冷微通道冷卻器的散熱性能，其中絮狀納米管為在表面生長(zhǎng)了短小碳納米管的碳纖維。文獻(xiàn)將3種CNTs微通道冷卻器與硅基微通道冷卻器進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，碳納米管微通道冷卻器要優(yōu)于常規(guī)的硅基微通道冷卻器，而且長(zhǎng)碳納米管類結(jié)構(gòu)的散熱性能最優(yōu)，短碳納米管類次之，絮狀碳納米管結(jié)構(gòu)又次于短碳納米管類。數(shù)據(jù)顯示，在自然冷卻時(shí)，使用碳納米管類微通道冷卻器的芯片溫度可從使用硅基微通道冷卻器時(shí)的196.7 ℃降至142.9 ℃，降幅高達(dá)27%。由此可見(jiàn)，碳納米管可大幅提高微通道冷卻器的散熱性能。

眾多研究均表明，碳納米管可通過(guò)增大微通道翅片導(dǎo)熱率、表面積或加速沸騰提高冷卻器的散熱效率，效果明顯。而且，改變CNTs的應(yīng)用和分布方式以及高度、平面尺寸、翅片密度等設(shè)計(jì)參數(shù)，既可以使其適用于各種應(yīng)用環(huán)境(風(fēng)冷、液冷或自然冷卻)，又可以權(quán)衡多因素優(yōu)化得到最佳方案。正如文獻(xiàn)[31]所言，碳納米管材料將顯著改善微通道散熱技術(shù)的現(xiàn)有能力，具有巨大的應(yīng)用潛力。

2.3 碳納米管用于熱管

熱管這一概念最早由美國(guó)G·M公司的GAUGLER于1942年提出，直到1964年才由美國(guó)的GTOUER等人研制成功[32]。它利用工質(zhì)的相變進(jìn)行熱量傳遞，由管殼、吸液芯及傳遞熱能的工質(zhì)組成。其中，吸液芯就相當(dāng)于運(yùn)輸工質(zhì)的毛細(xì)泵，其結(jié)構(gòu)和性能是決定熱管性能的關(guān)鍵因素。吸液芯通常需要具有2個(gè)重要特點(diǎn)：高滲透率和高導(dǎo)熱率。目前常用的吸液芯類型有金屬絲網(wǎng)芯、多層卷繞絲網(wǎng)芯、燒結(jié)粉末芯、金屬纖維燒結(jié)管芯及軸向槽道等。

2007年，文獻(xiàn)[33]提出了將碳納米管應(yīng)用于熱管吸液芯的創(chuàng)新想法，并將此方法用到實(shí)際的設(shè)備中。從2008年開(kāi)始，在射頻平板熱管(Radio Frequency Thermal Ground Plane，RFTPG)項(xiàng)目(由DARPA贊助)中，Raytheon公司聯(lián)合普渡大學(xué)、熱管廠商Thermacore公司等機(jī)構(gòu)采用銅燒結(jié)粉末表面生長(zhǎng)碳納米管的技術(shù)來(lái)提高平板熱管的導(dǎo)熱性能[2,34]，如圖6所示。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，碳納米管可以形成尺寸可控的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，且具有極高的軸向?qū)崧剩俏盒静牧系淖罴堰x擇之一。為了解決CNTs的疏水性，需要采用電子束蒸發(fā)器在其表面鍍覆一層銅。然而，即使如此，碳納米管的低滲透性仍限制了它在小蒸發(fā)面積情況下的使用。為了突破這一限制，他們提出了在銅燒結(jié)粉末表面生長(zhǎng)碳納米管的方法。試驗(yàn)證明，該方法大大降低了蒸發(fā)阻力，可以使該平板熱管蒸發(fā)段在較低熱端溫度下就開(kāi)始蒸發(fā)或沸騰，且平面導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)銅的3倍。

圖6 RFPG項(xiàng)目中熱管結(jié)構(gòu)示意圖

文獻(xiàn)[35]用鍍銅的碳納米管作為吸液芯，研究了CNTs密度和鍍銅層厚度對(duì)熱管散熱性能的影響。圖7為熱管蒸發(fā)腔內(nèi)部示意圖。CNTs應(yīng)用于中心的蒸發(fā)段，其他部分仍采用燒結(jié)銅粉末作為芯體。試驗(yàn)研究證明， CNTs密度和鍍銅層厚度的增大均可降低蒸發(fā)熱阻。然而，CNTs密度的增大會(huì)同時(shí)增大流動(dòng)阻力，故需要對(duì)兩者進(jìn)行權(quán)衡，以選擇最佳的密度值。

圖7 CNTs熱管蒸發(fā)腔內(nèi)部示意圖

隨著射頻平板熱管項(xiàng)目中CNTs應(yīng)用于平板熱管研究的開(kāi)展，有報(bào)道預(yù)計(jì)該技術(shù)不久將投入實(shí)用。目前，眾多關(guān)于CNTs作為吸液芯的研究[36]仍在不斷驗(yàn)證和提高CNTs對(duì)熱管性能的優(yōu)化作用。

在熱管應(yīng)用中，除了用作吸液芯材料外，碳納米管的懸浮液作為納米流體的一種，可作為工質(zhì)提高熱管的散熱性能。

2.4 碳納米管用于高導(dǎo)熱基板

從熱管理的需求出發(fā)，電子設(shè)備中的封裝基板材料需要具備以下2個(gè)特點(diǎn)：1)與半導(dǎo)體器件匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE = (5～10)× 10-6K-1)；2)盡可能高的導(dǎo)熱率。這樣才能保證封裝基板與芯片之間的熱應(yīng)力足夠小，且熱量能夠及時(shí)傳遞到下一層熱沉。

由于CNTs兼具高導(dǎo)熱系數(shù)、低膨脹系數(shù)及高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，將其作為增強(qiáng)材料混合入金屬基體中成為研究熱點(diǎn)。針對(duì)常用的電子設(shè)備金屬材料，目前的研究主要圍繞CNTs/Al和CNTs/Cu兩種復(fù)合材料展開(kāi)。

文獻(xiàn)[37]研究了CNTs/Cu復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。它采用一種新穎的顆?；旌霞夹g(shù)將CNTs均勻地?fù)诫s到銅粉末中，隨后采用放電等離子燒結(jié)法制備成型。測(cè)試結(jié)果表明，CNTs/Cu復(fù)合材料的最高導(dǎo)熱系數(shù)為328 W/(m·K)，與純銅相比，導(dǎo)熱率有所下降。熱膨脹率雖然沒(méi)有測(cè)試，但根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)推測(cè)，必然會(huì)大大降低。文獻(xiàn)認(rèn)為，CNTs/Cu復(fù)合材料導(dǎo)熱率下降的原因可能是CNTs和Cu之間的界面熱阻過(guò)大。但即便如此，該值仍然優(yōu)于目前常用的W-Cu和SiC/Cu等復(fù)合材料。而且，通過(guò)調(diào)整燒結(jié)溫度和壓力，可以制成導(dǎo)熱率更高的復(fù)合材料。

文獻(xiàn)[38]在以碳納米管為骨架的明膠復(fù)合彈性體的形成過(guò)程中預(yù)埋銅粉，經(jīng)過(guò)碳化、還原、真空燒結(jié)等熱處理，制備了網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的CNTs/Cu復(fù)合材料。測(cè)試表明，該復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較銅基體降低了27%，但由于致密化和界面結(jié)合很差，其導(dǎo)熱率僅為45 W/(m·K)。

文獻(xiàn)[39]采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝在CNTs表面包覆了W金屬層，然后采用磁力攪拌和放電等離子體燒結(jié)工藝制備了W-CNTs/Al和CNTs/Al。結(jié)果表明，CNTs/Al的最高導(dǎo)熱率僅為161.3 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于純鋁的理論導(dǎo)熱率230 W/(m·K)，這與前面兩組研究的結(jié)果類似，原因分析也同上。W-CNTs/Al的導(dǎo)熱率優(yōu)于CNTs/Al，最高值可達(dá)175 W/(m·K)。這是由于CNTs與Al之間潤(rùn)濕性弱，兩者界面處出現(xiàn)了裂縫缺陷，界面結(jié)合較差；而W和Al的潤(rùn)濕性較好，無(wú)裂縫和孔隙缺陷，故界面結(jié)合良好。同時(shí)，W-CNTs/Al的熱膨脹系數(shù)也低于CNTs/Al。由此可見(jiàn)，CNTs金屬鍍層對(duì)于復(fù)合材料的功能優(yōu)化作用明顯。

以上研究中均提出，CNTs與金屬基體復(fù)合中的致密化和界面結(jié)合問(wèn)題導(dǎo)致了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能較差。針對(duì)此問(wèn)題，學(xué)者們展開(kāi)了廣泛的工藝研究。文獻(xiàn)[40]調(diào)研了現(xiàn)有的工藝進(jìn)展，指出片狀粉末冶金技術(shù)、選擇性涂布浸漬、金屬箔冷軋退火等技術(shù)已經(jīng)在碳納米管金屬基復(fù)合材料制備中取得了一定進(jìn)展，不久將有望通過(guò)合理的高導(dǎo)熱復(fù)合構(gòu)型設(shè)計(jì)和復(fù)合界面控制，獲得更加優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

總體而言，盡管目前的研究并沒(méi)有挖掘出碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的導(dǎo)熱增強(qiáng)功能，但至少可以有效降低金屬的熱膨脹系數(shù)。更為重要的是，相關(guān)制備工藝的進(jìn)一步發(fā)展解決了碳納米管的均勻分布及其與金屬基體界面的結(jié)合問(wèn)題，導(dǎo)熱增強(qiáng)功能也必將實(shí)現(xiàn)[41]。

2.5 其他應(yīng)用

除以上提出的幾個(gè)常用的熱管理技術(shù)外，部分研究者還探索了碳納米管在相變散熱、高輻射涂料及芯片內(nèi)部安裝等領(lǐng)域的應(yīng)用。文獻(xiàn)[42-43]為了評(píng)估納米復(fù)合相變材料在相變儲(chǔ)能式熱管理技術(shù)中的應(yīng)用潛力，采用實(shí)驗(yàn)方法研究了碳納米管填料對(duì)相變儲(chǔ)能式電子器件熱沉瞬態(tài)性能的影響。但由于碳納米管的添加倒裝流動(dòng)惡化，抵消了其高導(dǎo)熱功能，使其并未能改善相變儲(chǔ)能熱沉的散熱效率。

碳納米管的輻射系數(shù)接近1，可將它涂覆于物體表面提高輻射效率。2015年，中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司開(kāi)發(fā)出碳納米管散熱涂料TNRC。該涂料可大大提高金屬/非金屬材料表面的熱輻射能力，加強(qiáng)散熱效果。應(yīng)用結(jié)果表明，在材料表面涂覆TNRC后，材料熱輻射系數(shù)大于0.95，同時(shí)具有良好的耐水性和耐酸堿性。目前已開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的薄膜散熱材料和板式散熱材料，實(shí)測(cè)散熱效率明顯優(yōu)于石墨片，可應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品。

在芯片安裝方面，富士通研究所在“Ceatec JAPAN 2010”展覽上展示了采用CNTs的散熱及安裝技術(shù)[44]。他們?cè)谔沾傻装迳闲纬啥鄠€(gè)由CNT束構(gòu)成的凸點(diǎn)，然后以倒裝芯片方式在凸點(diǎn)上安裝芯片。利用CNT凸點(diǎn)，可以在實(shí)現(xiàn)電氣連接的同時(shí)進(jìn)行散熱。今后，該研究所還打算通過(guò)提高CNT束的密度增加導(dǎo)熱率，進(jìn)一步擴(kuò)大其用途。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了碳納米管在多種熱管理技術(shù)中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀。由于超高的導(dǎo)熱率、高比表面積、高比強(qiáng)度及輕質(zhì)地等眾多優(yōu)勢(shì)，碳納米管的應(yīng)用幾乎全方位覆蓋了熱管理領(lǐng)域，無(wú)論是在熱界面材料、平板熱管技術(shù)中還是在微通道散熱及高導(dǎo)熱基板的前沿研究中，均能見(jiàn)到它的蹤影，甚至可以在任何熱管理方案中嘗試使用它。雖然受工藝所限，目前它在部分技術(shù)分支領(lǐng)域中的研究試驗(yàn)效果不佳，但關(guān)于它的生長(zhǎng)及后期處理工藝的研究均在不斷加速中。隨著相關(guān)工藝參數(shù)的更詳盡研究、工藝成熟度的提高和成本的降低，碳納米管的軍事應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用均指日可待。

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劉芬芬(1986-)，女，工程師，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作。

Application Progress of Carbon Nanotubes in Thermal Management

LIU Fen-fen，YIN Ben-hao

(SouthwestChinaResearchInstituteofElectronicEquipment,Chengdu610000,China)

Carbon nanotubes (CNTs), with high thermal conductivity, large specific surface area, low coefficient of thermal expansion (CTE) and low density, become one of the research hotspots in the thermal management field. Application progress of carbon nanotubes in the thermal interface material, the thermal pipe, heat radiation in the microchannel and the base with high thermal conductivity et al is researched according to the thermal management technology types in this paper. The results show that CNTs can improve the thermal properties to some degree. However, due to complexity of process and conduction mechanism, many experimental results are worse than theory analysis. While process and conduction mechanism get more mature, CNTs will present better thermal properties in thermal management and it won′t be long to apply them to military and commercial products.

carbon nanotubes; thermal interface material; thermal pipe; microchannel

2016-09-21

TB32

A

1008-5300(2016)06-0007-07