【摘要】：近年來(lái),散熱已經(jīng)成為能量密度越來(lái)越高的電子器件的一個(gè)重要課題。作為散熱系統(tǒng)的重要組成部分,熱界面材料受到工業(yè)界和研究人員的廣泛重視。為了改進(jìn)傳統(tǒng)熱界面材料易老化、不耐疲勞和存在腐蝕等問(wèn)題,碳納米管及石墨烯相關(guān)的熱界面材料被提出。但是,納米管與熱沉之間存在較高的界面熱阻,石墨烯的法向熱導(dǎo)率又偏小,基于納米管和石墨烯的熱界面材料性能有待進(jìn)一步的提高。為了充分利用納米管垂直方向的高導(dǎo)熱性以及石墨烯的平整性,本文提出了一種新的熱界面材料——柱狀石墨烯。該結(jié)構(gòu)以多層石墨烯為基礎(chǔ),石墨烯的層與層之間通過(guò)納米管連接。這樣,與熱沉接觸的是平整的石墨烯,法向?qū)岬氖羌{米管,有望同時(shí)具備低接觸熱阻和高的法向熱導(dǎo)。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法,研究了結(jié)構(gòu)本身以及它與不同熱沉的熱導(dǎo)隨溫度、石墨烯層數(shù)、納米管密度等的變化關(guān)系。研究中建立了兩種柱狀石墨烯基本結(jié)構(gòu),一種是頂部和底部為石墨烯,中間為碳納米管,稱為Ⅰ型柱狀石墨烯；另一種是頂部、底部和中部均為石墨烯,石墨烯之間為碳納米管,稱為Ⅱ型柱狀石墨烯。首先,研究了柱狀石墨烯本身的熱學(xué)特性,主要設(shè)置了兩個(gè)變量：體系中的碳納米管數(shù)目和環(huán)境溫度。從結(jié)果可知,兩種柱狀石墨烯結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)均隨碳納米管數(shù)的增加而線性增大,最大可比同尺寸厚度相同的純石墨烯結(jié)構(gòu)高出2個(gè)數(shù)量級(jí),這證明由于納米管的加入,柱狀石墨烯在垂直方向的熱導(dǎo)性能優(yōu)良。柱狀石墨烯的熱導(dǎo)隨環(huán)境溫度的升高而增大,體現(xiàn)了納米管與石墨烯的結(jié)合處聲子散射隨溫度升高而減弱的特點(diǎn)。其次,研究了柱狀石墨烯置于兩個(gè)銅熱沉之間的熱特性。對(duì)于Ⅰ型柱狀石墨烯/銅復(fù)合體系中,熱導(dǎo)先隨著納米管數(shù)目的增加而增加,當(dāng)碳納米管數(shù)大于10時(shí),熱導(dǎo)達(dá)到飽和。分析表明,納米管之間的熱耦合以及石墨烯孔隙率的增大,使得從銅到柱狀石墨烯之間的溫度跳變?cè)龃?因而整個(gè)體系的熱導(dǎo)不再增加。對(duì)于Ⅱ型柱狀石墨烯/銅復(fù)合體系,由于中間石墨烯層對(duì)垂直方向聲子輸運(yùn)的散射作用,熱導(dǎo)始終比Ⅰ型柱狀石墨烯/銅結(jié)構(gòu)更小。另外,當(dāng)環(huán)境溫度大于450K時(shí),兩種柱狀石墨烯復(fù)合體系的熱導(dǎo)不隨環(huán)境溫度的增加而增大。這是由于,當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),銅內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)加劇,阻礙了柱狀石墨烯中碳納米管的有效熱傳導(dǎo),使得整個(gè)體系的熱導(dǎo)不再增大。再次,研究了柱狀石墨烯介于銅和硅之間的熱特性。結(jié)果表明,在硅/Ⅰ型柱狀石墨烯/銅復(fù)合體系中碳納米管數(shù)大于12時(shí),體系的熱導(dǎo)便不再隨碳納米管數(shù)的增加而增大,并且在硅/Ⅱ型柱狀石墨烯/銅中碳納米管數(shù)大于6時(shí),體系的熱導(dǎo)也不再隨碳納米管數(shù)的增加而增大。這說(shuō)明,硅使得整個(gè)體系的導(dǎo)熱性質(zhì)發(fā)生了改變,當(dāng)柱狀石墨烯中某一處碳納米管距離很近時(shí),熱耦合效應(yīng)也會(huì)變得十分明顯,從而阻礙了碳納米管的有效熱傳導(dǎo)。另外,當(dāng)環(huán)境溫度大于450K時(shí),兩種柱狀石墨烯復(fù)合體系的熱導(dǎo)也不再隨環(huán)境溫度的增加而增大。這就說(shuō)明,雖然硅材料使柱狀石墨烯中碳納米管的熱耦合特性發(fā)生了改變,但對(duì)結(jié)構(gòu)溫度特性的影響并不大。本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法對(duì)柱狀石墨烯及柱狀石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬,為柱狀石墨烯作為熱界面材料的研究和應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。
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【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1;O613.71

【共引文獻(xiàn)】

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1 詹曉偉;碳化硅外延石墨烯以及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

2 馬德鵬;固體材料中裂紋擴(kuò)展模擬研究[D];吉林大學(xué);2008年

3 李曉培;嵌入式系統(tǒng)封裝層裂問(wèn)題的研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2013年

4 劉曉瓏;CVD法制備SiC一維納米材料影響因素的數(shù)值模擬研究[D];青島科技大學(xué);2014年

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本文編號(hào)：2408161