本發(fā)明涉及一種基于定向碳納米管薄膜的散熱器的研制，該散熱器具有優(yōu)越自然對流散熱性能，特別適用于熱功能器件的研發(fā)和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著集成電子設(shè)備的快速發(fā)展，它們的工作效率不斷增加的同時，消耗的能量以及伴隨產(chǎn)生的熱量也快速增長。如何快速高效地把這些儀器產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)和散發(fā)出去，已經(jīng)成為電子設(shè)備快速發(fā)展面臨的重要難題。因此，人們不斷努力尋找更加高效的導(dǎo)熱和散熱材料。另一方面，雖然人們已經(jīng)設(shè)計(jì)開發(fā)了許多有效的散熱性能解決方案，例如強(qiáng)迫對流散熱器、熱電制冷器(G.Bulman,P.Barletta,J.Lewis,N.Baldasaro,M.Manno,A.Bar-Cohen,B.Yang,Superlattice-based thin-film thermoelectric modules with high cooling fluxes,Nature Communications[J],2016,7,10302.)和熱管等。然而，這些散熱器件一般都需額外的輔助器件，并且需要額外能源消耗。這使得它們在便攜式電子設(shè)備和航天飛行器中的廣泛使用受到限制。更進(jìn)一步，便攜式電子設(shè)備向著小型化、輕便化和高性能的方向發(fā)展。常規(guī)的金屬散熱器件由于其較重的質(zhì)量，也已經(jīng)不能滿足便攜式電子設(shè)備的應(yīng)用需求。因此，人們?nèi)匀辉诓粩鄬で筝p質(zhì)、小體積的高性能散熱器件。

固體材料與周圍大氣環(huán)境的換熱主要通過三種方式：熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流。由于大氣的熱導(dǎo)率非常小(約0.01-0.03W/m K)，固體材料與大氣環(huán)境之間的傳導(dǎo)換熱明顯小于對流換熱和輻射換熱，因此相比較而言傳導(dǎo)換熱可以忽略不計(jì)。對于自然對流換熱，主要是由自然對流換熱方程來決定，既

P_c＝h_cA(T_h-T₀) (1)

其中P_c表示自然對流換熱的熱功率(W)、h_c表示自然對流換熱系數(shù)(W/m²K)、A表示固體材料的與空氣之間的接觸面積(m²)；T_h和T₀分別表示固體材料表面和大氣環(huán)境的溫度(K)。而輻射換熱主要是由輻射定律公式?jīng)Q定，既

$P_r=\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}A(T_h^4-T_0^4)---\left(2\right)$

其中P_r表示輻射換熱的熱功率(W)、ε表示固體材料的表面熱發(fā)射率(0<ε<1)、σ表示Stefan-Boltzmann常數(shù)(5.67×10^-8W/m²K⁴)、A表示固體材料的表面積(m²)；T_h和T₀分別表示固體材料表面溫度和環(huán)境溫度(K)。對于不同類型的材料，表面發(fā)射率大小差異很大。例如銅、鋁等純金屬材料，它們的表面發(fā)射率一般在0.05-0.2之間，而碳材料的表面發(fā)射率一般比較大，可以達(dá)到0.9以上。當(dāng)材料的表面發(fā)射率比較小以及表面溫度較低時，輻射換熱的熱功率P_r的大小明顯小于P_c的大小。因此，目前已經(jīng)被廣泛使用的散熱器件主要利用的是材料的對流散熱性能。

絕大多數(shù)材料與空氣之間的自然對流換熱系數(shù)一般在5-25W/m².K范圍之內(nèi)(何潮洪，馮霄.化工原理.北京：科學(xué)出版社，2001:190.)，而其他流體(例如水)的自然對流系數(shù)要比空氣的自然對流系數(shù)高一到兩個數(shù)量級。并且流體的強(qiáng)迫對流系數(shù)會更高。因此利用水或者其他液體的自然對流或強(qiáng)迫對流換熱的制備的換熱器件的換熱性能更加優(yōu)越。這已經(jīng)在電腦CPU散熱、空調(diào)設(shè)備和航天飛行器中得到了非常廣泛的使用。然而，水或者其他流體的自然對流散熱器件的尺寸一般較大，并且其安全性能要求很高。而強(qiáng)迫對流散熱器件的需要強(qiáng)迫對流驅(qū)動設(shè)備等附屬設(shè)備和額外的能量消耗，在便攜式電子設(shè)備等產(chǎn)品中的應(yīng)用受到很大限制。因此人們希望能夠開發(fā)出具有很好空氣自然對流換熱性能的散熱器件，在輕質(zhì)高性能散熱應(yīng)用需求中取得廣泛應(yīng)用。

碳納米管作為準(zhǔn)一維的納米尺度材料，具有許多獨(dú)特的性能。尤其是它們具有優(yōu)越的熱學(xué)性能。首先，單根碳納米管在室溫下的熱導(dǎo)率可以高達(dá)3000-5000W/(m.K)(A.A.Balandin,Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials,Nature Material[J],2011,10,569-581.)，約比常規(guī)導(dǎo)熱金屬(例如金屬銅、鋁等)的熱導(dǎo)率高一個數(shù)量級。另一方面，單根碳納米管與空氣分子之間的換熱系數(shù)高達(dá)10⁵W/(m².K)(M.Hu,S.Shenogin,P.Keblinski,N.Raravikar,Thermal energy exchange between carbon nanotube and air[J],Applied Physics Letters,2007,90,231905)，比常規(guī)宏觀材料的換熱系數(shù)高幾個數(shù)量級。并且，人們利用化學(xué)氣相沉積法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了特定結(jié)構(gòu)的碳納米管的批量化可控制備。因此碳納米管作為輕質(zhì)高性能熱功能材料具有十分明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于定向碳納米管薄膜的高性能散熱器及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于定向碳納米管薄膜的高性能散熱器，包括定向碳納米管薄膜和紫銅板，紫銅板上切割微槽，定向碳納米管薄膜沿垂直于微槽的方向鋪在紫銅板上，定向碳納米管薄膜與微槽的側(cè)壁頂端緊密接觸。

所述的定向碳納米管薄膜厚度小于1微米。

所述的定向碳納米管薄膜厚度20-50nm。

所述的微槽尺度為50-200微米寬，200-500微米深，微槽間隔100-200微米。

一種基于定向碳納米管薄膜的高性能散熱器制備方法，通過下列方式實(shí)現(xiàn)：

在單晶硅片基底上制備定向碳納米管陣列；

在上述碳納米管陣列的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行抽取，獲得定向碳納米管薄膜；

在碳納米管薄膜上切割獲得碳納米管薄膜方形薄片；

在紫銅板上用高能激光切割互相平行的微米尺度的槽道；

在激光切割槽道之后，對切割后的紫銅板分別采用鹽酸浸泡、丙酮清洗以及去離子水沖洗的方式去除紫銅板表面的氧化層。

或者，在激光切割槽道之后，對切割后的紫銅板在氫氣環(huán)境下，在大于400℃的溫度下加熱，去除表面氧化層。

將定向碳納米管薄膜沿著垂直于微槽的方向鋪到紫銅板上并使碳納米管薄膜與微槽的側(cè)壁頂端緊密接觸。

將甲醇或者乙醇或者丙酮有機(jī)溶劑均勻噴涂到碳納米管薄膜和微槽上，有機(jī)溶劑自然揮發(fā)后，通過分子的表面張力，使碳納米管薄膜與微槽的側(cè)壁頂端緊密接觸。

或者在鋪好的碳納米管薄膜和紫銅板微槽上滴加甲醇或者乙醇或者丙酮有機(jī)溶劑微液滴，有機(jī)溶劑自然揮發(fā)后，通過分子的表面張力，使碳納米管薄膜與微槽的側(cè)壁頂端緊密接觸。

微槽尺度為50-200微米寬，200-500微米深，微槽間隔100-200微米。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為：

(1)由于碳納米管薄膜的厚度僅有納米尺度，因此該定向碳納米管薄膜與空氣環(huán)境之間能夠快速地交換熱量，具有良好的換熱性能。把定向碳納米管薄膜沿著垂直于金屬銅板微槽的方向鋪開。為了增強(qiáng)碳納米管薄膜與金屬銅之間的相互作用，通過有機(jī)溶劑的表面張力作用，使得碳納米管薄膜與金屬銅之間具有良好的接觸性能。更進(jìn)一步，碳納米管薄膜在微通道上具有良好的懸空性能。采用上述方法，獲得了具有微通道的懸空碳納米管薄膜散熱器。該散熱器的自然對流換熱系數(shù)比純銅的自然對流換熱系數(shù)有明顯的提高。

(2)在同一個加熱功率條件下，該散熱器件具有比普通純銅散熱器具有明顯較低的平衡溫度。

(3)本裝置還可以推廣到強(qiáng)迫對流散熱器件的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本次發(fā)明的定向碳納米管薄膜散熱器的制備過程示意圖；

圖2為定向碳納米管薄膜和紫銅板微槽構(gòu)成的新型散熱器示意圖；

圖3為是銅板刻蝕微槽的光學(xué)顯微鏡照片；

圖4為定向碳納米管薄膜散熱器的電子顯微鏡照片；

圖5為在加熱功率0.42W時，純銅板與定向碳納米管薄膜散熱器溫度曲線對比；

圖6為普通銅板與定向碳納米管薄膜散熱器的自然對流換熱系數(shù)大小對比。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明原理是在純銅板上刻蝕規(guī)則的微槽道，然后再在上面沿著垂直于微槽道的方向鋪上定向碳納米管薄膜。最后使用超聲噴霧的方法在器件上均勻噴涂酒精作為分散劑，增強(qiáng)碳納米管薄膜與金屬之間的熱耦合作用。

金屬銅具有較高的熱導(dǎo)率(約400W/m.K)和穩(wěn)定的化學(xué)性能，已經(jīng)被廣泛用作熱功能材料。本發(fā)明中，我們采用紫銅板作為基底材料，一方面是為了獲得較好的導(dǎo)熱性能，另一方面是方便地與其他傳統(tǒng)散熱器件的散熱性能做對比。

本發(fā)明散熱器如圖2所示，包括定向碳納米管薄膜4和紫銅板5，紫銅板上切割微槽7，碳納米管薄膜4沿垂直于微槽的方向鋪在紫銅板5上，碳納米管薄膜4與微槽7的側(cè)壁頂端緊密接觸。單層碳納米管薄膜4厚度一般要求小于1微米。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)單層碳納米管薄膜4厚度20-50nm，其透光率約為80％，具有良好的換熱性能。微槽7尺度為50-200微米寬，200-500微米深，微槽間隔100-200微米。

具體制備方法如下：

(1)采用化學(xué)氣相沉積法，在單晶硅片基底1上制備定向碳納米管陣列2，如圖1(a)所示；

(2)在上述碳納米管陣列2的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行抽取，獲得定向碳納米管薄膜3，如圖1(b)所示；

(3)圖1(c)所示，在碳納米管薄膜3上切割獲得(1-5)cm×(1-5)cm的定向碳納米管薄膜方形薄片4；

(4)圖1(d)所示的是在(1-5)cm×(1-5)cm×(0.5-2.0)mm紫銅板5上，采用高能飛秒激光6切割沿著一定方向的微米尺度的槽道；圖1(e)所示的是在紫銅板5上切割而成的微槽7的示意圖，微槽尺度為50-200微米寬，200-500微米深，微槽間隔100-200微米；

利用高能紅外切割激光器，切割獲得一定尺寸的紫銅板。然后再利用高能飛秒激光在銅板上刻蝕出規(guī)則的微槽。由于刻蝕過程中的高溫，銅板表面產(chǎn)生了氧化層，這些氧化層對銅板的導(dǎo)熱性能影響明顯。因此我們分別采用鹽酸浸泡、丙酮多次清洗和去離子水反復(fù)沖洗的方法去掉金屬銅板表面的氧化層，獲得較清潔的金屬銅表面。

在不考慮成本的前提下，在氫氣環(huán)境下，在大于400℃的溫度下加溫，去除表面氧化層效果更優(yōu)。

(5)圖1(f)所示的是定向碳納米管薄膜4沿著垂直于微槽7的方向鋪到紫銅板5上；圖1(g)所示的是在鋪好的碳納米管薄膜4和紫銅板5微槽7上滴加酒精微液滴8，在酒精微液滴8自然揮發(fā)以后，由于酒精分子的表面張力，可使碳納米管薄膜4與微槽7的側(cè)壁頂端緊密接觸。最后獲得了如圖2所示的是由定向碳納米管薄膜4和紫銅板5上的微槽7構(gòu)成的新型散熱器。

還可以采用超聲噴霧的方法器件上均勻噴涂酒精作為分散劑，增強(qiáng)碳納米管薄膜與金屬之間的熱耦合作用。采用超聲霧化機(jī)把乙醇均勻噴涂到該散熱器件上。由于乙醇液滴的表面張力作用，使得碳納米管薄膜與金屬銅之間具有良好的接觸性能。更進(jìn)一步，碳納米管薄膜在微通道上具有良好的懸空性能。

上面提及的乙醇還可以采用甲醇、丙酮進(jìn)行替代。

圖3所示的是紫銅板5上激光刻蝕得到的微槽7的光學(xué)顯微鏡照片，可以看出，微槽的結(jié)構(gòu)比較均勻并且邊緣清晰穩(wěn)定。圖4所示的是定向碳納米管薄膜與微槽接觸以及定向碳納米管薄膜的電子顯微鏡照片。該電子顯微鏡照片顯示定向碳納米管薄膜與微槽側(cè)壁具有良好的接觸狀態(tài)，并且碳納米管薄膜中存在一定量的縫隙。

實(shí)施例1：基于定向碳納米管薄膜的散熱器的散熱性能測試

圖5顯示了本發(fā)明的散熱器件的散熱性能與普通金屬銅板的散熱性能的對比。在同一個加熱功率(0.42W)條件下，分別測量金屬銅板和本次發(fā)明的散熱器件的溫度變化情況和平衡溫度大小。在該加熱功率下，本發(fā)明的散熱器件的平衡溫度約為44.5℃，而金屬銅板的平衡溫度約為63.5℃。這表明本次發(fā)明的散熱器件具有更好的散熱性能。另一方面，圖5中的溫度變化曲線還表明本發(fā)明中的散熱器件具有更快的溫度穩(wěn)定速度。

實(shí)施例2：基于定向碳納米管薄膜的散熱器的自然對流散熱性能測量

我們根據(jù)公式(1)和(2)可以分別計(jì)算出純銅板和本次發(fā)明的散熱器的自然對流散熱系數(shù)的大小。具體結(jié)果如圖6所示，在6個不同加熱功率條件下，本發(fā)明中散熱器的自然對流散熱系數(shù)大小為37.4-44.2W/(m².K)，而金屬銅板的自然對流散熱系數(shù)大小為19.8-27.9W/(m².K)。自然對流散熱性能提高了58.4-88.9％。這一結(jié)果對比表明：本次發(fā)明的散熱器件具有明顯更好的自然對流散熱性能。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。