一种基于定向碳纳米管薄膜的高性能散热器及制备方法与流程

本发明涉及一种基于定向碳纳米管薄膜的散热器的研制，该散热器具有优越自然对流散热性能，特别适用于热功能器件的研发和应用。

背景技术：

随着集成电子设备的快速发展，它们的工作效率不断增加的同时，消耗的能量以及伴随产生的热量也快速增长。如何快速高效地把这些仪器产生的热量传导和散发出去，已经成为电子设备快速发展面临的重要难题。因此，人们不断努力寻找更加高效的导热和散热材料。另一方面，虽然人们已经设计开发了许多有效的散热性能解决方案，例如强迫对流散热器、热电制冷器(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.)和热管等。然而，这些散热器件一般都需额外的辅助器件，并且需要额外能源消耗。这使得它们在便携式电子设备和航天飞行器中的广泛使用受到限制。更进一步，便携式电子设备向着小型化、轻便化和高性能的方向发展。常规的金属散热器件由于其较重的质量，也已经不能满足便携式电子设备的应用需求。因此，人们仍然在不断寻求轻质、小体积的高性能散热器件。

固体材料与周围大气环境的换热主要通过三种方式：热传导、热辐射和热对流。由于大气的热导率非常小(约0.01-0.03W/m K)，固体材料与大气环境之间的传导换热明显小于对流换热和辐射换热，因此相比较而言传导换热可以忽略不计。对于自然对流换热，主要是由自然对流换热方程来决定，既

P_c＝h_cA(T_h-T₀) (1)

其中P_c表示自然对流换热的热功率(W)、h_c表示自然对流换热系数(W/m²K)、A表示固体材料的与空气之间的接触面积(m²)；T_h和T₀分别表示固体材料表面和大气环境的温度(K)。而辐射换热主要是由辐射定律公式决定，既

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

其中P_r表示辐射换热的热功率(W)、ε表示固体材料的表面热发射率(0<ε<1)、σ表示Stefan-Boltzmann常数(5.67×10^-8W/m²K⁴)、A表示固体材料的表面积(m²)；T_h和T₀分别表示固体材料表面温度和环境温度(K)。对于不同类型的材料，表面发射率大小差异很大。例如铜、铝等纯金属材料，它们的表面发射率一般在0.05-0.2之间，而碳材料的表面发射率一般比较大，可以达到0.9以上。当材料的表面发射率比较小以及表面温度较低时，辐射换热的热功率P_r的大小明显小于P_c的大小。因此，目前已经被广泛使用的散热器件主要利用的是材料的对流散热性能。

绝大多数材料与空气之间的自然对流换热系数一般在5-25W/m².K范围之内(何潮洪，冯霄.化工原理.北京：科学出版社，2001:190.)，而其他流体(例如水)的自然对流系数要比空气的自然对流系数高一到两个数量级。并且流体的强迫对流系数会更高。因此利用水或者其他液体的自然对流或强迫对流换热的制备的换热器件的换热性能更加优越。这已经在电脑CPU散热、空调设备和航天飞行器中得到了非常广泛的使用。然而，水或者其他流体的自然对流散热器件的尺寸一般较大，并且其安全性能要求很高。而强迫对流散热器件的需要强迫对流驱动设备等附属设备和额外的能量消耗，在便携式电子设备等产品中的应用受到很大限制。因此人们希望能够开发出具有很好空气自然对流换热性能的散热器件，在轻质高性能散热应用需求中取得广泛应用。

碳纳米管作为准一维的纳米尺度材料，具有许多独特的性能。尤其是它们具有优越的热学性能。首先，单根碳纳米管在室温下的热导率可以高达3000-5000W/(m.K)(A.A.Balandin,Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials,Nature Material[J],2011,10,569-581.)，约比常规导热金属(例如金属铜、铝等)的热导率高一个数量级。另一方面，单根碳纳米管与空气分子之间的换热系数高达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)，比常规宏观材料的换热系数高几个数量级。并且，人们利用化学气相沉积法已经实现了特定结构的碳纳米管的批量化可控制备。因此碳纳米管作为轻质高性能热功能材料具有十分明显的应用优势。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于定向碳纳米管薄膜的高性能散热器及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于定向碳纳米管薄膜的高性能散热器，包括定向碳纳米管薄膜和紫铜板，紫铜板上切割微槽，定向碳纳米管薄膜沿垂直于微槽的方向铺在紫铜板上，定向碳纳米管薄膜与微槽的侧壁顶端紧密接触。

所述的定向碳纳米管薄膜厚度小于1微米。

所述的定向碳纳米管薄膜厚度20-50nm。

所述的微槽尺度为50-200微米宽，200-500微米深，微槽间隔100-200微米。

一种基于定向碳纳米管薄膜的高性能散热器制备方法，通过下列方式实现：

在单晶硅片基底上制备定向碳纳米管阵列；

在上述碳纳米管阵列的基础上直接进行抽取，获得定向碳纳米管薄膜；

在碳纳米管薄膜上切割获得碳纳米管薄膜方形薄片；

在紫铜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，对切割后的紫铜板分别采用盐酸浸泡、丙酮清洗以及去离子水冲洗的方式去除紫铜板表面的氧化层。

或者，在激光切割槽道之后，对切割后的紫铜板在氢气环境下，在大于400℃的温度下加热，去除表面氧化层。

将定向碳纳米管薄膜沿着垂直于微槽的方向铺到紫铜板上并使碳纳米管薄膜与微槽的侧壁顶端紧密接触。

将甲醇或者乙醇或者丙酮有机溶剂均匀喷涂到碳纳米管薄膜和微槽上，有机溶剂自然挥发后，通过分子的表面张力，使碳纳米管薄膜与微槽的侧壁顶端紧密接触。

或者在铺好的碳纳米管薄膜和紫铜板微槽上滴加甲醇或者乙醇或者丙酮有机溶剂微液滴，有机溶剂自然挥发后，通过分子的表面张力，使碳纳米管薄膜与微槽的侧壁顶端紧密接触。

微槽尺度为50-200微米宽，200-500微米深，微槽间隔100-200微米。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)由于碳纳米管薄膜的厚度仅有纳米尺度，因此该定向碳纳米管薄膜与空气环境之间能够快速地交换热量，具有良好的换热性能。把定向碳纳米管薄膜沿着垂直于金属铜板微槽的方向铺开。为了增强碳纳米管薄膜与金属铜之间的相互作用，通过有机溶剂的表面张力作用，使得碳纳米管薄膜与金属铜之间具有良好的接触性能。更进一步，碳纳米管薄膜在微通道上具有良好的悬空性能。采用上述方法，获得了具有微通道的悬空碳纳米管薄膜散热器。该散热器的自然对流换热系数比纯铜的自然对流换热系数有明显的提高。

(2)在同一个加热功率条件下，该散热器件具有比普通纯铜散热器具有明显较低的平衡温度。

(3)本装置还可以推广到强迫对流散热器件的应用。

附图说明

图1为本次发明的定向碳纳米管薄膜散热器的制备过程示意图；

图2为定向碳纳米管薄膜和紫铜板微槽构成的新型散热器示意图；

图3为是铜板刻蚀微槽的光学显微镜照片；

图4为定向碳纳米管薄膜散热器的电子显微镜照片；

图5为在加热功率0.42W时，纯铜板与定向碳纳米管薄膜散热器温度曲线对比；

图6为普通铜板与定向碳纳米管薄膜散热器的自然对流换热系数大小对比。

具体实施方式

本发明原理是在纯铜板上刻蚀规则的微槽道，然后再在上面沿着垂直于微槽道的方向铺上定向碳纳米管薄膜。最后使用超声喷雾的方法在器件上均匀喷涂酒精作为分散剂，增强碳纳米管薄膜与金属之间的热耦合作用。

金属铜具有较高的热导率(约400W/m.K)和稳定的化学性能，已经被广泛用作热功能材料。本发明中，我们采用紫铜板作为基底材料，一方面是为了获得较好的导热性能，另一方面是方便地与其他传统散热器件的散热性能做对比。

本发明散热器如图2所示，包括定向碳纳米管薄膜4和紫铜板5，紫铜板上切割微槽7，碳纳米管薄膜4沿垂直于微槽的方向铺在紫铜板5上，碳纳米管薄膜4与微槽7的侧壁顶端紧密接触。单层碳纳米管薄膜4厚度一般要求小于1微米。经过试验验证，当单层碳纳米管薄膜4厚度20-50nm，其透光率约为80％，具有良好的换热性能。微槽7尺度为50-200微米宽，200-500微米深，微槽间隔100-200微米。

具体制备方法如下：

(1)采用化学气相沉积法，在单晶硅片基底1上制备定向碳纳米管阵列2，如图1(a)所示；

(2)在上述碳纳米管阵列2的基础上直接进行抽取，获得定向碳纳米管薄膜3，如图1(b)所示；

(3)图1(c)所示，在碳纳米管薄膜3上切割获得(1-5)cm×(1-5)cm的定向碳纳米管薄膜方形薄片4；

(4)图1(d)所示的是在(1-5)cm×(1-5)cm×(0.5-2.0)mm紫铜板5上，采用高能飞秒激光6切割沿着一定方向的微米尺度的槽道；图1(e)所示的是在紫铜板5上切割而成的微槽7的示意图，微槽尺度为50-200微米宽，200-500微米深，微槽间隔100-200微米；

利用高能红外切割激光器，切割获得一定尺寸的紫铜板。然后再利用高能飞秒激光在铜板上刻蚀出规则的微槽。由于刻蚀过程中的高温，铜板表面产生了氧化层，这些氧化层对铜板的导热性能影响明显。因此我们分别采用盐酸浸泡、丙酮多次清洗和去离子水反复冲洗的方法去掉金属铜板表面的氧化层，获得较清洁的金属铜表面。

在不考虑成本的前提下，在氢气环境下，在大于400℃的温度下加温，去除表面氧化层效果更优。

(5)图1(f)所示的是定向碳纳米管薄膜4沿着垂直于微槽7的方向铺到紫铜板5上；图1(g)所示的是在铺好的碳纳米管薄膜4和紫铜板5微槽7上滴加酒精微液滴8，在酒精微液滴8自然挥发以后，由于酒精分子的表面张力，可使碳纳米管薄膜4与微槽7的侧壁顶端紧密接触。最后获得了如图2所示的是由定向碳纳米管薄膜4和紫铜板5上的微槽7构成的新型散热器。

还可以采用超声喷雾的方法器件上均匀喷涂酒精作为分散剂，增强碳纳米管薄膜与金属之间的热耦合作用。采用超声雾化机把乙醇均匀喷涂到该散热器件上。由于乙醇液滴的表面张力作用，使得碳纳米管薄膜与金属铜之间具有良好的接触性能。更进一步，碳纳米管薄膜在微通道上具有良好的悬空性能。

上面提及的乙醇还可以采用甲醇、丙酮进行替代。

图3所示的是紫铜板5上激光刻蚀得到的微槽7的光学显微镜照片，可以看出，微槽的结构比较均匀并且边缘清晰稳定。图4所示的是定向碳纳米管薄膜与微槽接触以及定向碳纳米管薄膜的电子显微镜照片。该电子显微镜照片显示定向碳纳米管薄膜与微槽侧壁具有良好的接触状态，并且碳纳米管薄膜中存在一定量的缝隙。

实施例1：基于定向碳纳米管薄膜的散热器的散热性能测试

图5显示了本发明的散热器件的散热性能与普通金属铜板的散热性能的对比。在同一个加热功率(0.42W)条件下，分别测量金属铜板和本次发明的散热器件的温度变化情况和平衡温度大小。在该加热功率下，本发明的散热器件的平衡温度约为44.5℃，而金属铜板的平衡温度约为63.5℃。这表明本次发明的散热器件具有更好的散热性能。另一方面，图5中的温度变化曲线还表明本发明中的散热器件具有更快的温度稳定速度。

实施例2：基于定向碳纳米管薄膜的散热器的自然对流散热性能测量

我们根据公式(1)和(2)可以分别计算出纯铜板和本次发明的散热器的自然对流散热系数的大小。具体结果如图6所示，在6个不同加热功率条件下，本发明中散热器的自然对流散热系数大小为37.4-44.2W/(m².K)，而金属铜板的自然对流散热系数大小为19.8-27.9W/(m².K)。自然对流散热性能提高了58.4-88.9％。这一结果对比表明：本次发明的散热器件具有明显更好的自然对流散热性能。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。