石墨烯-鋁復(fù)合冷板散熱性能試驗研究*

雷 冰，陳 卓，張琳璐，劉 曦

（中國航天科技集團(tuán)有限公司九院七七一研究所，陜西 西安710119）

引 言

隨著嵌入式計算機(jī)向高性能、高集成、小型化方向發(fā)展，系統(tǒng)內(nèi)熱流密度急劇增加，高溫環(huán)境將顯著降低芯片及整機(jī)的性能和可靠性[1-2]。傳統(tǒng)散熱冷板以鋁合金和銅等金屬材料為主。鋁合金[3]密度低但導(dǎo)熱率不高，銅的導(dǎo)熱率較高但密度較大。傳統(tǒng)散熱材料已不能滿足嵌入式計算機(jī)對高效散熱、小體積及輕量化的協(xié)同需求。迫切需要開發(fā)新型高熱導(dǎo)率的散熱冷板，保證系統(tǒng)的高可靠運(yùn)行，降低設(shè)計成本，減小整機(jī)體積及重量。

石墨烯[4-5]是至今為止制備的導(dǎo)熱率最高的材料，研究表明單片石墨烯的熱導(dǎo)率為3 000～5 000 W/(m·K)。石墨烯散熱片已在民用5G手機(jī)上得到了一定的應(yīng)用。5G手機(jī)的散熱受功耗增加、輕量化和超薄化的約束，而石墨烯可提供最大限度的有效傳導(dǎo)面積，使手機(jī)內(nèi)部中央處理器（Central Processing Unit, CPU）、圖形處理器（Graphic Processing Unit, GPU）、電池等器件熱量快速向周圍傳導(dǎo)，產(chǎn)品的整體溫度均勻分布，從而使用戶獲得最佳的使用體驗。

美國THERMACORE和MINTEQ等多家公司經(jīng)過多年研究，已成功開發(fā)出多種石墨烯復(fù)合材料產(chǎn)品，如石墨/鋁復(fù)合材料、石墨/銅復(fù)合材料、石墨/碳纖維復(fù)合材料，目前已將成果應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等航天航空軍用計算機(jī)上。

我國目前僅能通過特殊工藝制備石墨烯/鋁導(dǎo)熱材料。上海交通大學(xué)在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域積累深厚，將熱解石墨烯膜作為填充材料與金屬鋁通過真空熱壓的方法制備成了石墨膜/鋁導(dǎo)熱復(fù)合材料，但制備工藝復(fù)雜，且復(fù)合材料強(qiáng)度無法保證，無法實現(xiàn)工程批量化應(yīng)用[6-7]。石墨烯散熱片脆性大，受到振動和沖擊后容易破碎。將石墨烯散熱片粘接在金屬件表面，利用金屬材料強(qiáng)度高、韌性良好的特點解決石墨的脆性和強(qiáng)度問題，同時發(fā)揮石墨導(dǎo)熱性能高的優(yōu)點，操作簡單，可滿足工程應(yīng)用[8-9]。

本文提出將石墨烯散熱片粘接在鋁合金散熱冷板表面形成石墨烯-鋁復(fù)合冷板，采用試驗測試的方法研究復(fù)合冷板的散熱性能，為后期石墨烯材料應(yīng)用于嵌入式計算機(jī)提供指導(dǎo)。

1 試驗測試方法與過程

1.1 試驗工裝

本次實驗采用液冷測試系統(tǒng)（圖1），測試所用冷板材料為鋁合金2A12，其導(dǎo)熱率為150 W/(m·K)。將樣品放置在測試工裝兩端銅管上，銅管內(nèi)部液體循環(huán)流動保證銅管表面溫度為恒定值。在冷板左側(cè)一端與銅管接觸面之間涂抹導(dǎo)熱硅脂以降低兩者接觸面的接觸熱阻。在冷板右端與銅管接觸區(qū)域放置云母壓塊起到絕熱作用。石墨烯散熱片通過自帶的導(dǎo)熱膠粘接在冷板表面，陶瓷發(fā)熱片模擬熱源放置在冷板最右端。整個測試系統(tǒng)保證加熱片所產(chǎn)生的熱量從右側(cè)不斷往左側(cè)傳導(dǎo)。

圖1 液冷測試系統(tǒng)

1.2 試驗樣片

本次試驗冷板樣片尺寸為240 mm×60 mm×3 mm及240 mm×60 mm×6 mm兩類。石墨烯散熱片為200 mm×50 mm×2 mm及200 mm×50 mm×1 mm兩類。試驗前測量樣片的質(zhì)量，結(jié)果見表1。

表1 樣片質(zhì)量統(tǒng)計表

單層石墨烯薄膜雖然導(dǎo)熱率較高，但單層厚度為微米級，導(dǎo)致熱傳遞面積非常小，導(dǎo)熱通量不足。因此，本文提出石墨烯散熱片采用毫米級厚度的，以提高熱通量。本次試驗采用的石墨烯散熱片來自常州富烯科技有限公司。天然石墨經(jīng)氧化分散工藝得到石墨烯分散液，再經(jīng)涂覆及熱處理、模切工藝最終形成指定厚度及形狀的產(chǎn)品。在25°C溫度下實測石墨烯散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)，1 mm厚的石墨烯散熱片的橫向熱導(dǎo)率為1 161 W/(m·K)左右，縱向?qū)崧蕿?0 W/(m·K)。2 mm厚的石墨烯散熱片的橫向?qū)崧蕿? 140 W/(m·K)，縱向?qū)崧蕿?2 W/(m·K)。在嵌入式計算機(jī)工作溫度范圍內(nèi)，石墨烯散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)受溫度變化的影響很小，可近似視為恒定值。石墨烯散熱片越厚，其縱向?qū)崧示驮降?，這主要與層間接觸熱阻增加有關(guān)。

1.3 試驗方法

石墨烯散熱片一面貼絕緣材料，另一面粘接高導(dǎo)熱膠，膠的導(dǎo)熱率為1.5 W/(m·K)，膠的厚度為0.03 mm。熱電偶溫度傳感器粘接在溫度監(jiān)測點處，監(jiān)測點位置分布如圖2所示。6號監(jiān)測點靠近熱源區(qū)域，7—11號監(jiān)測點的相鄰間距為50 mm，12號監(jiān)測點溫度表征冷端處溫度。

圖2 傳感器測試位置示意圖

為了驗證不同功耗對石墨烯-鋁復(fù)合冷板導(dǎo)熱性能的影響，調(diào)節(jié)加熱片兩端的電壓、電流使加熱片功耗分別為20 W及35 W。加熱片直徑為15 mm，兩種工況下的熱流密度分別為2.83 W/cm2和4.95 W/cm2。在正式試驗前對平衡所用時間（5 min內(nèi)各測試點溫度波動小于0.5°C）進(jìn)行摸底，15 min左右測試點默認(rèn)達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。35 W功耗下3 mm厚鋁在未貼石墨烯測試時，加熱片溫度上升過快，存在損傷加熱片的風(fēng)險，測試時間為9 min，其余測試時間均為15 min。

試驗在常溫環(huán)境下進(jìn)行，開啟多路溫度測試儀進(jìn)行溫度測量和采集，數(shù)據(jù)每分鐘采集一次。隨后開啟液冷循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)置出水溫度為恒溫25°C，根據(jù)熱功耗工況，分別調(diào)節(jié)陶瓷發(fā)熱片的加熱電壓，控制輸出功耗從而實現(xiàn)模擬發(fā)熱。常溫環(huán)境下加電15 min，各溫度測試點的測試溫度基本穩(wěn)定。完成當(dāng)前工況測試后，結(jié)束本次試驗，待測試工裝冷卻后，進(jìn)入下一工況的測試。

2 試驗結(jié)果分析

本次試驗主要是為了驗證冷板表面貼石墨烯散熱片后的復(fù)合導(dǎo)熱性能，以平衡狀態(tài)下加熱片附近6號監(jiān)測點的溫度大小作為判定不同樣件導(dǎo)熱性能強(qiáng)弱的依據(jù)，6號監(jiān)測點的溫度越低，熱量傳遞效率就越高。圖3和圖4為35 W和20 W加熱片熱耗下不同測試樣品6號監(jiān)測點的溫度隨時間的變化曲線。從曲線的斜率看出，前5 min斜率高溫度上升塊，10 min后溫度上升的趨勢減弱。

圖3 35 W功耗下6號監(jiān)測點溫度統(tǒng)計

圖4 20 W功耗下6號監(jiān)測點溫度統(tǒng)計

未貼石墨烯散熱片時，因鋁合金自身導(dǎo)熱率偏低，且傳導(dǎo)面積小，3 mm厚的鋁合金不能滿足該功耗下熱量的快速傳導(dǎo)，導(dǎo)致加熱片處溫度過高。3 mm厚的鋁合金貼2 mm厚的石墨烯散熱片（簡稱3+2復(fù)合冷板）后，其導(dǎo)熱性能優(yōu)于6 mm厚的純鋁板，質(zhì)量僅相當(dāng)于6 mm厚鋁板的66.5%。3+1復(fù)合冷板的導(dǎo)熱性僅略弱于6 mm厚的鋁板，質(zhì)量占6 mm厚純鋁板質(zhì)量的58%?？梢娫谡w質(zhì)量及體積增加很少的情況下，在鋁合金表面貼石墨烯散熱片可有效提高鋁合金的傳導(dǎo)性能。

圖5 和 圖6 為35 W 功 耗 下3+2 復(fù) 合 冷 板 和3+1復(fù)合冷板各監(jiān)測點溫度隨時間的變化曲線圖。3+2復(fù)合冷板各測試點的溫度普遍比3+1復(fù)合冷板低6°C～7°C左右，石墨烯厚度增加一倍，復(fù)合冷板的散熱性能并沒有相應(yīng)地增加一倍。

圖5 35 W工況下3+2復(fù)合冷板監(jiān)測點隨時間的溫度變化曲線

圖6 35 W工況下3+1復(fù)合冷板監(jiān)測點隨時間的溫度變化曲線

11號與12號監(jiān)測點之間的溫差在35 W功耗、3+2復(fù)合冷板下值最大，為15°C，在20 W功耗下兩點間的溫差為8.5°C。石墨烯-鋁復(fù)合可增強(qiáng)整個冷板的導(dǎo)熱性能，保證熱量快速傳導(dǎo)至冷端，但冷板與熱管之間的接觸熱阻較大，功耗越大，溫差就越大。

復(fù)合冷板的導(dǎo)熱系數(shù)（又稱導(dǎo)熱率）是表征該材料導(dǎo)熱能力大小的物理量。8號、10號監(jiān)測點位于石墨烯散熱片粘接區(qū)域中間位置，取該兩點間的溫度差做對比更能精確表征復(fù)合冷板的導(dǎo)熱系數(shù)。圖7和圖8為該兩點在不同功耗下的溫差對比圖。在35 W工況下，3 mm厚的鋁板該兩點間的平均溫差最大，為43°C左右。在35 W功耗下3+2復(fù)合冷板的溫差比單獨6 mm厚鋁的溫差小9°C?？梢娛?鋁復(fù)合冷板的熱傳導(dǎo)更高效，加熱片的功耗越大，兩點間的溫差就越大。

圖7 35 W功耗8號及10號監(jiān)測點溫差對比圖

圖8 20 W功耗8號及10號監(jiān)測點溫差對比圖

在35 W 功耗下計算得3+2 復(fù)合冷板的導(dǎo)熱率 為372 W/(m·K)，3+1 復(fù) 合 冷 板 的 導(dǎo) 熱 率 為260.5 W/(m·K)。在20 W功耗下等效計算得3+2復(fù)合冷板的導(dǎo)熱率為366.4 W/(m·K)，3+1復(fù)合冷板的導(dǎo)熱率為268.8 W/(m·K)。

本文開展了1 mm和2 mm厚石墨烯復(fù)合冷板和純鋁合金冷板的導(dǎo)熱性能測試。3+2復(fù)合冷板的導(dǎo)熱性能最佳，導(dǎo)熱能力是3 mm厚鋁合金的2.5倍左右。不同熱流密度下復(fù)合冷板的導(dǎo)熱系數(shù)相差很小，誤差主要來源于試驗測試的誤差，可見復(fù)合冷板的導(dǎo)熱性能屬于材料自身的物理屬性。

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)散熱材料已無法滿足嵌入式計算機(jī)高性能、高集成、小型化的發(fā)展趨勢對高效散熱的迫切需求，本文提出了在傳統(tǒng)冷板表面貼高導(dǎo)熱性的石墨烯散熱片的方法，并測試了不同厚度石墨烯散熱片對冷板導(dǎo)熱性能的提升效果。試驗結(jié)果表明，3+2復(fù)合冷板的導(dǎo)熱性能最優(yōu)，3+1復(fù)合冷板的導(dǎo)熱性能接近于6 mm厚的純鋁合金冷板的導(dǎo)熱性能。高性能計算機(jī)小型化的發(fā)展趨勢對體積要求越來越高，從散熱、體積、重量等要求綜合來看，3+1復(fù)合冷板重量更輕且體積更小，整體散熱優(yōu)勢更明顯。石墨烯-鋁復(fù)合冷板的應(yīng)用從整機(jī)設(shè)計層面保證系統(tǒng)的高可靠運(yùn)行，可間接降低設(shè)計成本，減小整機(jī)體積及重量。

因本次試驗石墨烯樣片種類有限，文中所測石墨烯散熱片的厚度僅為1 mm和2 mm兩類，建議后續(xù)開展0.1～2 mm不同厚度石墨烯散熱片復(fù)合冷板的導(dǎo)熱性能測試，依據(jù)測試數(shù)據(jù)建立合理的石墨烯-鋁復(fù)合冷板的材料模型庫?；诓煌穸葟?fù)合冷板導(dǎo)熱性試驗測試結(jié)果及熱仿真軟件，將復(fù)合冷板材料引入整機(jī)熱仿真模型中，以石墨烯散熱片厚度為變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到滿足整機(jī)體積、重量及熱設(shè)計要求的最優(yōu)方案。