摘要：為了改善傳統微通道散熱器的傳熱特性，提岀了一種新型的微通道散熱器，相較于傳統直通道散熱器，不僅增加了橫向通道，而且在傳熱板的下表面覆加了具有超高熱導率的石墨烯層，利用數值分析的方法研究添加了橫向通道和石墨烯層后的微通道散熱器和傳統直通道散熱器的傳熱特性。結果表明：橫向通道的加入降低了微通道散熱器受熱面最高溫度、最低溫度和溫差，并且隨著熱通量的增加，降低幅度增大。石墨烯層的加入使溫差大幅度降低，進一步改善了散熱效果。

　　關鍵詞：微通道散熱器;石墨烯;散熱;數值分析

　　相關論文范文：化學氣相沉積石墨烯薄膜的潔凈轉移

　　石墨烯因其優異的性能在很多領域具有廣闊的應用前景。目前石墨烯薄膜主要是以銅作為催化基底，通過化學氣相沉積法制備。這種方法制備的石墨烯薄膜需要被轉移到目標基底上進行后續應用，而轉移過程則會對石墨烯造成污染，進而影響石墨烯的性質及器件的性能。如何減少或避免污染，實現石墨烯的潔凈轉移，是石墨烯薄膜轉移技術研究的重要課題，也是本綜述的主題。

　　0引言

　　隨著現代電子芯片集成度的增加、功耗的上升和尺寸的減小，快速增加的芯片系統發熱成了急需解決的一項重大難題。一般地，元器件的失效率隨著器件溫度的上升呈指數規律上升，傳統的冷卻手段已不能滿足未來先進電子元器件(如高功率微波、毫米波器件及機載、星載電子設備等)的散熱要求。解決高熱流密度電子元器件的散熱問題需要新的突破，這使得芯片散熱成為了現代微納電子器件與微系統開發和應用中的一項關鍵技術1O微機電系統即MEMS技術在過去的30年間取得了迅速發展。20世紀80年代由TuckermanDB等人利用在微加工技術基礎上提出微通道散熱器⑵。由于其尺度微細，面積體積比增大，表面作用增強，從而改善傳熱效果，且具有結構緊湊、質量輕、運行安全可靠等特點。

　　近十多年來關于微通道換熱器的研究和應用發展得非常迅速，對微通道的結構、截面形狀、管道分布與流體介質等都進行了深入探討，從各個方面來改善提高散熱效果⑺歹。2004年，NovoselovKS等人證明石墨烯的單獨存在"，引發了石墨烯的研究熱潮。石墨烯具有優異的導熱性能，公開報道的石墨烯的導熱性能最大，甚至超過5000W/m-K[7]o石墨烯具有超高熱導率的主要原因是其碳碳共價鍵強而碳原子質量小，聲子具有較高的速度，石墨烯通過聲子以彈道-擴散方式傳輸熱量⑻。目前，石墨烯及其復合材料的導熱性能與應用成為一個熱點。

　　2015年，麻省理工的最新研究表明在金屬表面添加石墨烯涂層可以極大提高金屬整體熱傳導效率，最高可以達到7倍⑼。目前國內外學者對石墨烯和微通道散熱器的研究已有很多，但沒有將石墨烯涂層引入微通道散熱器中的研究報道。本文首次在硅基微通道散熱器上壁面增加一層石墨烯涂層，并且在傳統直通道散熱器基礎上增加橫向通道，增大了流體與基底和傳熱板的接觸面積，通過數值分析的方法來研究石墨烯涂層和橫向通道對微通道散熱器傳熱特性的影響。

　　1微通道散熱器原理、結構與尺寸

　　微通道散熱器的整體結構，整體散熱器分成3個部分:下層的硅基微通道，傳熱板和傳熱板與流體之間的石墨烯涂層。電子器件放置于傳熱板上表面，通過接觸換熱，流體帶走傳熱板的熱量。傳熱板可采用不同金屬材料，采用磁控濺射金屬薄膜，一般來說傳熱板厚度低于100Jim時，其熱阻就可以忽略不計，同時考慮到強度要求，傳熱板厚度設置為100pm""。采用氣相沉積法得到石墨烯，并轉移到金屬薄膜表層，石墨烯層的厚度為40jim。

　　2數值模擬

　　2.1數學模型

　　為了分析散熱器結構和石墨烯層對微通道散熱器的散熱能力的影響，本文采用ICEM15.0劃分網格，有限元軟件Fluent15.0對整個散熱器的流固區域的流體分布和傳熱進行計算。散熱器實際工作是一個復雜的熱傳導系統，受到很多因素的影響，為了簡化工作，假設:散熱器處于絕熱環境;流固的材料屬性是固定的;流體為不可壓縮流。

　　2.2邊界條件和材料參數

　　散熱器工作環境為298K，進出口溫度均設置為298K。散熱器進口采用速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，假定外界氣壓為大氣壓，出口壓力設置為0MPa0流體和固體接觸面無滑移，散熱器頂面受不同大小恒定熱通量加熱，即設置為恒定熱流量邊界條件。假定散熱器處于絕熱環境，所以，不考慮壁面的自然對流散熱和輻射散熱。

　　2.3網格有效性驗證

　　為了得到較好的網格質量，整個計算域均使用ICEM劃分成各小塊，然后得到結構網格。選取3種典型的網格數量進行獨立性驗證，數量分別為51萬網格(較少)，92萬網格(較多)和136萬網格(很多)。一般來說，在相同質量基礎上，網格越多計算精度越高，但隨著網格數量的增大，需要耗費的計算資源也越多。入口流速為lm/s，施加恒定熱流量為30W/cn?選取散熱器上表面長度方向邊線作為比較區間，邊線各節點的溫度作為比較參數。網格數為51萬的模型計算結果和136萬的計算結果相比誤差較大，而92萬與136萬計算結果相比，誤差很小，溫度幾乎一致。這說明92萬的網格計算結果比較準確，而且相對于136萬網格計算更快。綜合計算量和精度考慮，選擇數量為92萬個網格作為最終計算模型。

　　3結果與討論

　　3.1散熱器結構的影響

　　微通道散熱器常用于高速計算芯片，微納傳感器與執行器等精密電子器件中，對散熱器要求較高，不僅要考慮散熱性，還要考慮安全性、可靠性等。由于散熱器的受熱面與被散熱物體直接接觸，所以選擇該面作為散熱器散熱性能的參考面。電子器件一般有極限工作溫度的限制，最高溫度是評價散熱器散熱能力的重要參數。溫差也是制約散熱器應用的重要因素，溫差過大會引起電子器件熱應力不均，從而會致使器件損毀失效。散熱器的最高溫度越低、溫差越小，散熱器的綜合性能越好。相對于傳統直通道，橫向通道的加入增加了流固傳熱面積。

　　受熱面最高溫度和最低溫度隨熱流量的變化趨勢。兩種結構散熱器受熱面溫度均隨著熱通量的增大而增大。新結構的最高溫度和最低溫度均低于直通道結構，并且隨著熱通量的增大兩者結構之間的溫差差異越大。因此，從散熱面最高溫度的角度來看，橫向通道的加入有效的提高了散熱器的散熱能力。

　　3.2石墨烯層的影響

　　石墨烯具有超高熱導率，在硅表面轉移一層石墨烯，可以提高復合材料整體導熱率。在流量為100mm3/s，熱通量從10W/cm2至60W/cm2，添加石墨烯層和不添加石墨烯受熱面最高溫度和最低溫度變化趨勢。在各恒定熱通量下，添加石墨烯層的散熱器最高溫度略低于沒有添加石墨烯層的，但添加石墨烯層的石墨烯溫差較大幅度小于沒有添加石墨烯的散熱器。

　　4結論

　　通過對石墨烯-硅復合材料的橫向微通道散熱器的數值仿真，可以得到如下結論：1)在直通道基礎上添加橫向通道，有利于流體與固體充分換熱，降低了散熱器的最高溫度和溫差。各橫向通道都保持了較高的流速，各橫向通道的流速差異較小。2)添加石墨烯層，得到石墨烯-硅復合材料的散熱器具有相比于硅散熱器具有更小的溫差和更小的最高溫度。

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