基于石墨烯復(fù)合材料的散熱結(jié)構(gòu)溫度場分布有限元分析

賈 琨，谷建宇，趙亞麗，王東紅，李克訓(xùn)，馬江將

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基于石墨烯復(fù)合材料的散熱結(jié)構(gòu)溫度場分布有限元分析

賈 琨1,2，谷建宇1,2，趙亞麗1,2，王東紅1,2，李克訓(xùn)1,2，馬江將1,2

（1. 電磁防護(hù)材料及技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第33研究所，山西 太原 030006）

高導(dǎo)石墨烯復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱物理性能，與銅等傳統(tǒng)熱管理材料相比，具有密度低、導(dǎo)熱性能好的優(yōu)勢，是非常理想的電子封裝材料。但由于其高成本、低強(qiáng)度的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了這類材料的應(yīng)用。本文以課題組制備的石墨烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料為基礎(chǔ)，采用復(fù)合材料作為關(guān)鍵散熱部件材料，既利用了復(fù)合材料的定向高導(dǎo)熱特性又解決了成本高、力學(xué)強(qiáng)度差的問題，并且通過ANSYS軟件進(jìn)行溫度場模擬，成功將熱源表面溫度降低11.5 ℃，證明了在特殊區(qū)域，采用新型高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料的手段，可以改善整個結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能。研究成果為新型熱管理材料在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

石墨烯；高導(dǎo)熱復(fù)合材料；有限元分析；仿真；ANSYS軟件；溫度

隨著電子設(shè)備功率和集成度的增加，系統(tǒng)內(nèi)部的功率密度也越來越高，而現(xiàn)有的導(dǎo)熱材料性能不足，廢熱無法及時傳遞到環(huán)境中，導(dǎo)致芯片和器件的溫度上升，造成設(shè)備工作性能下降甚至于燒毀[1]。導(dǎo)熱材料的性能問題已經(jīng)成為制約電子系統(tǒng)性能提升的瓶頸?，F(xiàn)在所使用的第一代電子封裝材料Kovar合金、第二代電子封裝材料銅-鎢合金，在一些高精尖領(lǐng)域，如高功率電器、便攜電子儀器等領(lǐng)域已經(jīng)很難滿足導(dǎo)熱需求[2-4]。在這一背景下，為了滿足現(xiàn)代化電子封裝材料的需求，解決單一材料存在的缺陷，相關(guān)研究學(xué)者通過現(xiàn)代化制備手段，制備出密度低、具有優(yōu)異熱物理性能的新型石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料，但是由于其自身高成本、低強(qiáng)度的特點(diǎn)，嚴(yán)重制約了這類材料的應(yīng)用[5-8]。

本文針對電子器件的應(yīng)用背景，結(jié)合石墨烯復(fù)合材料在導(dǎo)熱性能和密度方面的應(yīng)用優(yōu)勢，提出在關(guān)鍵部件采用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料的思路，既利用了復(fù)合材料的定向高導(dǎo)熱特性又避免了成本高、力學(xué)強(qiáng)度差的問題，并且模擬實(shí)際情況，分析了石墨烯復(fù)合材料在實(shí)際導(dǎo)熱過程中發(fā)揮的重要作用，獲得了該材料在安裝形式、熱阻、實(shí)際傳熱效果等方面可信的數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)新型導(dǎo)熱材料研究與實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用的技術(shù)接軌，進(jìn)行了理論分析與技術(shù)探索。

1 實(shí)驗(yàn)

本文所用高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料主要采用放電等離子體燒結(jié)法制備。首先，采用實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的工藝對石墨烯粉末表面進(jìn)行預(yù)處理，之后，項目組通過技術(shù)創(chuàng)新，在石墨烯表面生長出含鋁基團(tuán)結(jié)構(gòu)，極大程度降低了石墨烯-鋁的界面熱阻，同時這種納米過渡層結(jié)構(gòu)提高了石墨烯增強(qiáng)體與鋁的接觸面積，改善了石墨烯粉末與鋁基體的結(jié)合性。最后采用CVD法對石墨烯表面進(jìn)行合金化，保證了石墨烯與金屬基體之間的結(jié)合力，提高了復(fù)合材料整體的力學(xué)性能。本項目組所制備的石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料性能如表1所示。

表1 石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料性能

在應(yīng)用過程中，采用新型石墨烯復(fù)合材料代替原始材料，對于散熱速度的實(shí)際改善程度以及散熱結(jié)構(gòu)溫度的降低效果，還有待進(jìn)一步的分析和模擬計算。

2 模型的建立

從傳熱學(xué)的角度看，熱量傳導(dǎo)的實(shí)質(zhì)是能量由高溫物體向低溫物體傳遞。但是，材料的實(shí)際導(dǎo)熱能力會受到自身物理性質(zhì)、質(zhì)量、幾何形狀及布置方式等多種因素的影響。由于采用的石墨烯復(fù)合材料呈現(xiàn)深黑色，在整個導(dǎo)熱過程中，無法通過肉眼直接觀察到材料的溫度變化情況。因此采用數(shù)值模擬的方法對實(shí)際導(dǎo)熱情況進(jìn)行分析非常必要。

ANASYS Workbench作為采用有限元原理模擬最為常用的軟件之一，廣泛應(yīng)用于對流換熱等一系列問題的求解[9]。該軟件自身具有成熟而豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值計算方法以及強(qiáng)大的前、后處理功能，可以針對各種復(fù)雜的幾何形狀，模擬多種形式下熱量的傳導(dǎo)過程。軟件的模擬過程主要包括三個過程:1）前處理器模塊，它可以通過其他軟件如CAD、CAE所畫的零件工程圖建立網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；2)求解器模塊，ANSYS Workbench針對各種類型的導(dǎo)熱問題，提供不同的求解器，使其在特定的領(lǐng)域內(nèi)獲得計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面的最佳組合，高效求解各個領(lǐng)域的傳導(dǎo)問題；3) 后處理模塊，將計算結(jié)果可視化，分析直觀的數(shù)據(jù)圖形。在掌握模擬軟件機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建物理、數(shù)學(xué)模型，模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的導(dǎo)熱情況。

2.1 物理模型

隨著電子設(shè)備功率和集成度的增加，系統(tǒng)內(nèi)部的功率密度也越來越高，廢熱無法及時傳遞到環(huán)境中，導(dǎo)致芯片和器件的溫度上升。針對這一現(xiàn)狀，本項目模擬電子器件中產(chǎn)熱較大的CPU位置，根據(jù)已有的石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料參數(shù)，采用石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料在關(guān)鍵部位代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金材料，分析CPU表面溫度的變化情況。

圖1（a）為現(xiàn)有CPU零件整體結(jié)構(gòu)，CPU固定在主板上，在CPU上表面安裝有熱沉結(jié)構(gòu)，起到結(jié)構(gòu)保護(hù)和快速散熱的作用。圖1（b）所示的異型板材即為簡化得到的熱沉零件示意圖，為了對比通過在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)利用新型石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料替換傳統(tǒng)材料對散熱性能的提升，設(shè)計兩種材料組成結(jié)構(gòu)：一種為模擬現(xiàn)有熱沉零件的散熱性能，設(shè)計采用純鋁材料制備整個異形板材；另一種作為對比，模擬高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用效果，將板中央的凸臺結(jié)構(gòu)采用新型石墨烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料，通過凸臺結(jié)構(gòu)保證上表面與CPU零件物理接觸，快速將CPU產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到外部框架。通過在關(guān)鍵區(qū)域采用不同性能材料，既保證了提高整體結(jié)構(gòu)的散熱能力又保證了零件的力學(xué)支撐性能。

圖1 CPU結(jié)構(gòu)示意圖（a）和導(dǎo)熱熱沉零件示意圖（b）

為了簡化分析計算，在本模型中做出以下假設(shè)[10]：

(1) 純鋁材料，各向同性，在散熱過程中設(shè)定為與穩(wěn)定流動空氣發(fā)生熱交換；石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料為各向異性導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱優(yōu)勢方向?yàn)閺腃PU到基板方向。

(2) 為了簡化計算，采用石墨烯復(fù)合材料制備的凸臺與純鋁基板接觸面采用鋁銅合金焊接；采用純鋁設(shè)計的異性板材，整體結(jié)構(gòu)為單一均勻純鋁材料。凸臺與CPU表面的接觸面為理想接觸，其熱阻忽略不計，且CPU產(chǎn)生的熱量全部通過上表面?zhèn)鲗?dǎo)。

(3) 默認(rèn)在整個模擬過程中，CPU放熱量為固定數(shù)值，且整個模擬時間為30 min。為了對比更換導(dǎo)熱部件所產(chǎn)生的效果，同時模擬相同條件下，純鋁結(jié)構(gòu)的溫度場情況。

2.2 數(shù)學(xué)模型

對于單一均勻材料（高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料、銅鋁合金焊料、純鋁基板以及純鋁結(jié)構(gòu)對比模型）內(nèi)部各部分溫度隨時間變化的載荷和在邊界條件時的響應(yīng)，采用熱力學(xué)基本定律和導(dǎo)熱基本定律結(jié)合，建立導(dǎo)熱微分方程[6]。

在微元平行六面體熱能量體（圖2）中，導(dǎo)熱體中取微元體ddd，根據(jù)能量守恒定律可得單位時間內(nèi)微元體內(nèi)能增量Δ等于流入微元體的熱流量Δd與單位時間內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量Δv之和。

Δd+ Δv= Δ（1）

圖2 微元平行六面體熱能量分布

在、和方向上流入微元體的熱流量分別為

由于材料內(nèi)部不存在熱源且各向同性的基礎(chǔ)上，公式可以簡化為：

公式（2）（3）可以用來描述物質(zhì)內(nèi)部溫度場內(nèi)在規(guī)律方程，本模型中給定了單一材料邊界上任何時刻的溫度分布，因此溫度的變化可以由下式表達(dá)：

（，，，）（4）

為了掌握整個傳熱過程中材料內(nèi)部的溫度場及其他熱參數(shù)隨時間的變化，在工程上一般采用瞬態(tài)分析。瞬態(tài)傳熱過程是指一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為（以矩陣形式表示）：

[]{}+[][]=｛｝ （5）

式中：[]為傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)；[]為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；[]為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；{}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成。

從公式（3）（5）可以計算出單一材料從接收外界熱量到熱平衡這段時間內(nèi)溫度的變化情況，從而預(yù)測整個過程的溫度變化情況。

以上分析的是均勻材料內(nèi)部熱量的傳遞，在不同材料界面處，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律[11]，當(dāng)物體外形已知，且滿足大平壁導(dǎo)熱條件時，整個模型的臨界界面溫度分布如圖3所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為[12]：

式中：a、b、c為測溫點(diǎn)所測得的溫度值，單位為℃；為高導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·℃)；為厚度，單位為m；0為焊接層的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·℃)；為焊接層的厚度，單位為m。

圖3 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)模型

Fig.3 The theory model of the conductivity composite materials

但式（6）必須在穩(wěn)態(tài)的條件下才成立，否則傳熱板的導(dǎo)熱系數(shù)將會隨溫度在小范圍內(nèi)呈線性變化。在本模型中，各結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)確定，而當(dāng)確定，材料厚度偏小則難以滿足在平壁條件下溫度測量精度的要求，偏大則不滿足大平壁導(dǎo)熱條件，由于石墨烯復(fù)合材料各向?qū)嵝阅苡酗@著差異，忽略側(cè)面散熱對傳熱材料內(nèi)部溫度變化的影響。

為了彌補(bǔ)公式（6）的不足，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。首先在現(xiàn)有尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在上下傳熱鋁板之間等間距添加模擬測溫點(diǎn)，同時設(shè)定CPU表面所有熱量都沿垂直方向，在高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料和焊接部分不存在側(cè)面散熱。

2.3 模型建立

通過CAD工程圖紙，在模擬軟件中構(gòu)建導(dǎo)熱模型，在構(gòu)建過程中，網(wǎng)格的劃分對計算結(jié)果的精度影響比較大，過密會大大增加計算時間，減慢計算速度，過疏則會使結(jié)果不夠精確[13]。因此在保證計算精度和適當(dāng)?shù)挠嬎銜r間的前提下，要盡量將整個結(jié)構(gòu)劃分成更多的網(wǎng)格。最終模型如圖4~5所示，計算過程中，在中間凸臺上表面加載80℃溫度載荷，進(jìn)行瞬態(tài)熱計算，計算時長為30 min。最終可以得到30 min以內(nèi)任意時刻整體結(jié)構(gòu)的溫度分布情況。為了保證整體結(jié)構(gòu)的計算精度，所以整體的網(wǎng)格尺寸規(guī)模較大，網(wǎng)格數(shù)量1 445 069，節(jié)點(diǎn)數(shù)量1 536 358，有限元網(wǎng)格模型如圖4、圖5所示。作為對照實(shí)驗(yàn)，完全純鋁材料設(shè)計的熱沉零件，取相同的網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)數(shù)量，模擬在相同熱源條件下的溫度變化情況。

圖4 有限元網(wǎng)格模型

圖5 凸臺部分網(wǎng)格局部圖

3 數(shù)值計算結(jié)果與分析

通過軟件模擬，最終得到了兩組仿真結(jié)果，一組為采用石墨烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱結(jié)果，一組為純鋁結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱結(jié)果。模擬導(dǎo)熱時間為30 min后的溫度場分布如圖所示，可以從圖6中對比看出，在相同的加熱功率情況下，采用石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料的CPU接觸面在經(jīng)過30 min處理后，溫度僅為66.6℃，而采用純鋁材料的接觸表面已經(jīng)達(dá)到78.1℃，兩種結(jié)構(gòu)接觸面的溫度差異說明，通過設(shè)計石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料凸臺，利用材料的定向優(yōu)勢導(dǎo)熱特性，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料的替換，對于熱量的傳導(dǎo)仍可以產(chǎn)生顯著效果。分析純鋁結(jié)構(gòu)的熱分布，由于整個基板為均一材料，僅能通過常規(guī)的熱傳遞進(jìn)行熱量的擴(kuò)散，導(dǎo)致在CPU與基臺接觸位置傳熱速度較慢，產(chǎn)生的熱量無法及時傳導(dǎo)到外部框架。根據(jù)圖6分析整個升溫過程，兩種結(jié)構(gòu)在整個升溫過程中，整體趨勢和升溫速度大致保持相同，這主要是由兩個因素造成：一是兩種模擬結(jié)構(gòu)相同，僅有凸臺材料的熱導(dǎo)率存在差異，并不會對整個導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的升溫曲線造成明顯拐點(diǎn)或突變；二是在整個散熱過程中，CPU產(chǎn)熱造成的溫度升高、導(dǎo)熱凸臺的熱傳輸速度、凸臺底部與基板的溫度差、基板熱量向外界的傳遞會形成一個動態(tài)平衡。因此，在加載產(chǎn)熱功率的瞬間，采用石墨烯復(fù)合材料的凸臺，由于熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于純鋁凸臺，因此熱量會迅速傳遞到基板，凸臺上表面溫度會顯著低于純鋁結(jié)構(gòu)，但由于CPU的熱量產(chǎn)生功率是確定的，且兩種結(jié)構(gòu)整體比熱容接近，因此在相同時間（30 min），兩種凸臺結(jié)構(gòu)表面升溫速率大致相同[14]。

（a）

（b）

（a）復(fù)合結(jié)構(gòu)；（b）純鋁結(jié)構(gòu)

圖6 熱傳遞過程中的溫度分布

Fig.6 Temperature profiles in the heat transfer process

在對比最高溫度的基礎(chǔ)上，分析整個熱沉零件的熱分布。由于通過替換凸臺材料，顯著降低了CPU表面溫度，但分析整個異形板材零件的熱分布，對比圖6（a）和（b），可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過30 min的加熱后，兩塊板材零件的最低溫度分別為33.61℃和33.57℃，僅存在較小區(qū)別，分析其中的原因有以下兩點(diǎn)：一是導(dǎo)熱凸臺體積與整個基板相比，所占比例較小，雖然兩種不同結(jié)構(gòu)的凸臺表面溫度存在較大差異，但是當(dāng)熱量傳遞在整個基板上時，所產(chǎn)生的升溫差異會顯著縮??；二是最初設(shè)定加熱時間為30 min，這一時間是根據(jù)實(shí)際電腦使用情況設(shè)定的，但是對于熱量的傳導(dǎo)過程，當(dāng)熱量從凸臺傳遞到基板后，由于基板材料自身熱傳導(dǎo)速率的限制，基板離凸臺的遠(yuǎn)端在30 min內(nèi)還無法充分接收凸臺傳遞過來的熱量，所以兩個模型最終的低溫溫度區(qū)別不大。通過顏色區(qū)分整個異形板材零件的溫度分布，可以看出，在保持整個基板材料不變的情況下，通過替換凸臺材料，對純鋁基板內(nèi)部熱量的傳遞產(chǎn)生的影響，由于凸臺在垂直方向具有熱傳導(dǎo)優(yōu)勢，熱量可以更加快速傳遞到基板與凸臺的接觸面，使這一位置的基板溫度迅速升高，與純鋁結(jié)構(gòu)相比，在基板內(nèi)部產(chǎn)生更大的溫度差，提高基板內(nèi)部熱量傳遞的速度。

4 計算結(jié)果與實(shí)際測試值對比

為了驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的可靠性，項目組按照模型尺寸制備了高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料。將石墨烯復(fù)合材料焊接在純鋁基板上，并按照模擬環(huán)境要求，在其上表面進(jìn)行20 W恒定功率溫度加熱，測試熱源接觸表面的溫度變化，如圖7所示。實(shí)際測試溫度要略低于模擬溫度值，分析其產(chǎn)生的主要原因是，在軟件模擬仿真的過程中，設(shè)定的環(huán)境溫度為25℃，空氣保持穩(wěn)定狀態(tài)。而在實(shí)際環(huán)境中，溫度可能無法恒定在25℃，且空氣處于流通狀態(tài)，在一定程度加快了熱量的擴(kuò)散，使得實(shí)際測試溫度略低于軟件模擬溫度。

圖7 樣品溫度隨時間變化曲線圖

同時在模擬過程中，認(rèn)為石墨烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料表面所接收的熱量全部通過縱向傳輸至基板，但是在實(shí)際過程中熱量還會通過石墨烯復(fù)合材料的四個側(cè)面進(jìn)行熱量的散失，使得實(shí)際溫度略低于模擬溫度。

在前期復(fù)合導(dǎo)熱材料的研究中，主要的研究方向是研發(fā)新型高導(dǎo)熱復(fù)合材料，但是其高脆性、低強(qiáng)度、高成本等因素使得目前新型高導(dǎo)熱復(fù)合材料很難在實(shí)際中得到應(yīng)用，成為了限制科技成果轉(zhuǎn)化的瓶頸。通過本文模擬實(shí)際高熱密度區(qū)域的散熱情況，確定了在導(dǎo)熱過程中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱性能對于整個結(jié)構(gòu)的散熱性能起著至關(guān)重要的作用，通過在核心接觸位置、熱密度集中區(qū)域進(jìn)行材料的更換可以顯著改善整個結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能，說明了采用軟件模擬手段可以有效分析實(shí)際工程應(yīng)用中，石墨烯高導(dǎo)熱復(fù)合材料發(fā)揮的散熱效果，為材料的后續(xù)使用提供便捷的評估方法，大幅度節(jié)約人力、物力成本。

5 結(jié)論

本文利用有限元分析方法，借助ANSYS workbench仿真電子元器件高產(chǎn)熱位置的溫度場變化情況，在設(shè)定加熱功率為20 W的情況下，對比兩種不同結(jié)構(gòu)的熱沉基板的溫度場仿真結(jié)果可知：通過替換非結(jié)構(gòu)受力件凸臺材料的方法，熱源溫度比采用傳統(tǒng)材料低11.5℃，并且對整個基板沒有造成顯著溫度上升的結(jié)果，與實(shí)際樣件測試結(jié)果較為接近。因此，采用價格低廉的傳統(tǒng)材料設(shè)計整體結(jié)構(gòu)，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處采用新型石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料替換傳統(tǒng)材料，不但提高了整體結(jié)構(gòu)的散熱能力而且保證了零件的力學(xué)支撐能力，是一種較為理想的新型熱管理材料使用方法。這為實(shí)現(xiàn)新型石墨烯復(fù)合導(dǎo)熱材料的研究與實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用的技術(shù)接軌，開辟了新的思路。

[1] ZWEBEN C. Advanced electronic packaging materials [J]. Adv Mater Process, 2005, 163: 33-37.

[2] ZWEBEN C. Thermal materials solve power electronics challenges [J]. Power Electron Technol, 2006, 32(2): 40-47.

[3] 周志祥. 鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的模型研究 [J]. 電子元件與材料, 2015, 34(5): 82-84.

[4] LIU J H, OLORUNYOMI M O, LU X Z, et al. New nano-thermal interface material for heat removal in electronic packaging [C]// Electronics System Integration Technology Conference. Dresden, Germany: IEEE, 2006.

[5] XUE C, YU J K, ZHU X M. Thermal properties of diamond/SiC/Al composites with high volume fractions [J]. Mater Des, 2011, 32(8/9): 4225.

[6] 黃厚誠, 王秋良. 熱傳導(dǎo)問題的有限元分析 [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011: 46-49.

[7] 趙春寶, 汪信, 楊緒杰. 碳納米材料在導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用[J]. 電子元件與材料, 2012, 31(1): 78-82.

[8] LIN J, ZHANG P P, ZHENG C, et al. Reduced silanized graphene oxide/epoxy-polyurethane composites with enhanced thermal and mechanical properties [J]. Appl Surf Sci, 2014, 316: 114-123.

[9] 陳俊. 相變蓄熱技術(shù)的數(shù)值模擬研究 [D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2007.

[10] AGRAWAL A, SATAPATHY A. Development of a heat conduction model and investigation on thermal conductivity enhancement of AlN/epoxy composites [J]. Procedia Eng, 2013(51): 573-578.

[11] 陳天峰, 師劍軍, 馬衛(wèi)東. 鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試改進(jìn) [J]. 絕緣材料, 2014, 47(2): 97-101.

[12] 唐云杰, 陳蓓. 激光閃射法測量雙層材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)探索 [J]. 印制電路信息, 2013(5): 72.

[13] 崔展寧, 白云, 卜祥偉, 等. 鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)瞬態(tài)測量方法與技術(shù)的探討 [J]. 絕緣材料, 2013, 46(2): 70-74.

[14] KHODADADI J M, HOSSEINIZADEH S F. Nanoparticle-enhanced phase change materials (NEPCM) with great potential for improved thermal energy storage [J]. Int Commun Heat Mass Transfer, 2007, 34: 534-543.

[15] 章熙民. 傳熱學(xué) [M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2001: 160-164.

[16] TAN Z Y, LI Z Y, XIONG D B, et al. A predictive model for interfacial thermal conductance in surface metallized diamond aluminum matrix composites [J]. Mater Des, 2014, 55: 257.

（編輯：曾革）

Numerical simulation of temperature field distribution of graphene composites

JIA Kun1,2, GU Jianyu1,2, ZHAO Yali1,2, WANG Donghong1,2, LI Kexun1,2, MA Jiangjiang1,2

(1. Electromagnetic Protection Materials and Technology Key Laboratory of Shanxi Province, Taiyuan 030006, China; 2. No.33 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Taiyuan 030006, China)

Highly-thermal-conductive graphene composite material has excellent thermophysical properties, as well as the advantages of low density and good thermal conductivity in comparison with copper and other traditional thermal management materials, so it is an ideal material for electronic packaging. But its disadvantages of high cost and low strength have severely restricted its application. Based on the highly-thermal-conductive graphene composite material prepared by the research group, this paper adopted the composite material as key heat dissipation components, which not only utilized the high directional thermal conductivity of composite material, but also resolved the issue of high cost and low mechanical strength, successfully realized a temperature reduction of 11.5℃ on the surface of heat source through temperature field simulation with the ANSYS software. This prove that adopting the new highly-thermal-conductive graphene composite material to replace the traditional materials in special areas can improve the thermal conductivity of the entire structure. The research results can provide technical support for applying new thermal management materials in relevant areas.

graphene; high thermal conductivity composite materials; finite element analysis; simulation; ANSYS software; temperature

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.003

TN04

A

1001-2028（2018）02-0019-06

山西省青年科學(xué)基金項目(2014021020-1；2015021083)

2017-11-09

賈琨

賈琨（1990－），男，山西太原人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樘蓟δ懿牧稀?/p>