固態(tài)納米碳涂層在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用

江廣浪，付典林，史洪波

（研祥智能科技股份有限公司，廣東深圳 518107）

0 引言

碳材料是目前人類認(rèn)知的材料中功能較全、性能較優(yōu)越、形式多樣的材料，是目前已知很多材料不能比擬的。繼硅時(shí)代之后，21世紀(jì)有望成為碳材料時(shí)代[1-3]。尤其是納米碳材料豐富的形態(tài)，涵蓋從零維、一維到二維結(jié)構(gòu)，每次納米碳材料的出現(xiàn)都引領(lǐng)了納米科技的快速發(fā)展[4-6]。其中，碳納米管可看成是一種石墨片卷曲結(jié)構(gòu)，超強(qiáng)的C-C鍵使碳納米管具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和熱傳導(dǎo)性能，理論計(jì)算和實(shí)際測量表明，單壁碳納米管拉伸強(qiáng)度可達(dá)150 GPa，彈性模量1 TPa，是鋼鐵的100倍，密度卻只有其1/6，被譽(yù)為終極碳纖維。同時(shí)單壁碳納米管室溫導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)6 000 W/m·K，多壁碳納米管的室溫導(dǎo)熱系數(shù)也達(dá)3 000 W/m·K，是熱導(dǎo)率較高的材料[7-8]。同時(shí)，碳納米管表面積大，被譽(yù)為世界上最黑的物質(zhì)，這種物質(zhì)對(duì)光線的折射率只有0.045%，吸收率高達(dá)99.5%以上，輻射系數(shù)接近絕對(duì)黑體的1.0[9]。另外還具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和超高的載流子輸送密度，導(dǎo)電率接近金屬，載流能力超過金屬銅。眾多優(yōu)異的綜合性能使碳納米管自發(fā)現(xiàn)以來受到極大關(guān)注，是納米材料和納米技術(shù)的最典型代表，是散熱涂料和復(fù)合材料最理想的功能填料[10-11]。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件性能不斷提高，但是電子器件的集成度大幅提高，體積越來越小，在長時(shí)間工作過程中會(huì)不可避免出現(xiàn)高熱流密度問題[12]。在高功耗密閉式自然散熱整機(jī)中，熱量主要通過熱輻射，傳遞至外界環(huán)境中，從而達(dá)到給整機(jī)降溫的效果[13-15]。為了提高密閉式整機(jī)自然散熱的效率，本文旨在對(duì)固態(tài)納米碳散熱涂層在密閉式自然散熱整機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行分析，為今后的固態(tài)納米碳散熱涂層的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 固態(tài)納米碳涂層散熱片工作原理及優(yōu)勢

納米碳涂層散熱片是將微米厚度級(jí)別的納米碳材料均勻涂布于鋁散熱片基材上，利用碳原子間的高導(dǎo)熱效能，進(jìn)行熱傳導(dǎo)，再由碳原子高熱輻射效能，將熱能轉(zhuǎn)換為紅外線射頻，傳遞散熱效能[16-17]。其表比熱容一般，但面積大、質(zhì)量輕，熱傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射性能極佳，整體散熱效果相對(duì)傳統(tǒng)鋁擠散熱片大幅提升[18]。納米涂層散熱片所具有的優(yōu)勢如下[19]。

（1）納米涂層散熱片充分利用了鋁的高熱傳導(dǎo)性和納米碳的高熱輻射性，使散熱效果更佳；

（2）納米涂層散熱片的加工更加環(huán)保，化學(xué)物品循環(huán)利用，避免有害的化學(xué)物或氣體的排放；

（3）納米涂層散熱片的外形結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝更簡單，使用鋁型材更少，整體比傳統(tǒng)的鋁型散熱片更加節(jié)能、減排；

（4）散熱片表面的納米涂層耐高溫、耐腐蝕、附著力強(qiáng)。

2 固態(tài)納米碳散熱片與傳統(tǒng)散熱片散熱性能的對(duì)比分析

本文以本公司M60-S密閉式自然散熱整機(jī)為研究對(duì)象，其整機(jī)配置如表1所示。在同一臺(tái)整機(jī)上，分別使用表面未做任何處理的散熱片（傳統(tǒng)散熱片）和表面噴涂固態(tài)納米碳的散熱片進(jìn)行對(duì)比測試。

表1 本公司M60-S密閉式自然散熱整機(jī)配置表

2.1 測試條件

2.1.1 Bios功耗管控設(shè)置

對(duì)2種不同散熱片，分別將Bios功耗設(shè)置成Normal（CPU頻率為動(dòng)態(tài)狀態(tài)）。

2.1.2 加載測試軟件

加載測試軟件包括：Idle狀態(tài)、BurnInTest 8.1、魯大師5.15、TAT 5.0.1008、3DMark 06、CPU-Z 1.85。加載測試軟件配置如表2所示。

在上述測試條件下，分別對(duì)傳統(tǒng)散熱片（表面不做任何處理，如圖1所示）和表面噴涂固態(tài)納米碳的散熱片（如圖2所示）進(jìn)行加載對(duì)比溫升測試。

2.2 測試方案

在相同的環(huán)境下，分別對(duì)表面未做任何處理的散熱片和表面噴涂固態(tài)納米碳的散熱片整機(jī)進(jìn)行不同加載測試，并記錄相關(guān)溫度值。具體測試方案如下。

將設(shè)置BIOS為Normal狀態(tài)，常溫下整機(jī)idle、3DMark06、BurnInTest8.1、TAT5.0.1008、魯大師5.15分別100%加載，保持3 h，達(dá)到熱平衡，記錄相關(guān)溫度值。

表2 加載測試軟件說明表

圖1 傳統(tǒng)散熱片

圖2 表面噴涂固態(tài)納米碳的散熱片

2.3 測試數(shù)據(jù)分析

在上述測試方案下，分別對(duì)傳統(tǒng)散熱片和表面噴涂固態(tài)納米碳散熱片整機(jī)進(jìn)行測試，并記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)，其測試結(jié)果如表3、表4所示。

表3 傳統(tǒng)散熱片測試結(jié)果

表4 噴涂固態(tài)納米碳的散熱片測試結(jié)果

對(duì)傳統(tǒng)散熱片和表面噴涂固態(tài)納米碳散熱片整機(jī)測試完成后，將整機(jī)的蓋體表面溫度（散熱片上蓋中心的溫度值）進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制成折線圖，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)和表面噴涂固態(tài)納米碳散熱片整機(jī)蓋體表面溫度折線圖

根據(jù)上述測試實(shí)驗(yàn)，可以得出：（1）傳統(tǒng)散熱片表面最高溫度為52.20℃，最低溫度為40.60℃，噴涂固態(tài)納米碳散熱片的表面最高溫度為48.20℃，最低溫度為36.80℃；（2）噴涂固態(tài)納米碳散熱片與傳統(tǒng)散熱片在所有拉載軟件下，均降低了4℃左右；（3）Idle狀態(tài)、Bu?rInTest、魯大師、TAT、3DMark完全拉載的情況下，噴涂固態(tài)納米碳散熱片表面溫度均較傳統(tǒng)散熱片的表面溫度低，并且噴涂固態(tài)納米碳散熱片表面溫度均在48.5℃以下（滿足本公司密閉式整機(jī)的熱設(shè)計(jì)規(guī)范：整機(jī)外表面最高溫度低于50℃）。

3 結(jié)束語

本文對(duì)碳材料進(jìn)行了簡短地介紹，說明了固態(tài)納米碳散熱涂層具有優(yōu)良的熱力學(xué)特性。并對(duì)固態(tài)納米碳散熱片與傳統(tǒng)散熱片的散熱性能進(jìn)行了對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：表面噴涂固態(tài)納米碳散熱片的散熱效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)散熱片。