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im电竞app:机理系列B之四十一:石墨烯散热涂料的机理让我给找到了!

发布时间:2022-05-03 10:54:27 g来源:im电竞app官网 作者:im电竞app下载

  一直忍到文章发表后才来把最后结果分享给大家。第一,温度差太大是不正常的现象,原因发现在没有进行隔热。第二,由于没有外力做功散热,在自然对流下辐射散热的重要性,会比强制对流下的辐射散热更高

  要从2016-05-26从河南佰利联(全球第一大TiO2供应商)提供的聚脂/环氧树脂开始说起,当初加了1/2/3wt%多层石墨烯,后来商请国邦化学代工制备粉末涂料,并经他们以简易测试台测出有大幅度降温效果,所以才会对于其中的机制很感兴趣,前前后后做了很多次实验,总算找出研究上的突破点。

  从2020-02-27以热电偶量测上、下测温点之数据(见图2)可以发现,

  (一)AL试片的z轴导热率为208.45W/mK,GE试片的z轴导热率只有36.6W/mK,为何GE试片的上测温点温度会比AL试片低?(见图2绿色区块)

  (二)AL试片的z轴导热率为208.45W/mK,BN试片的z轴导热率只有8.82W/mK,为何BN试片在8W条件下的下测温点温度会比AL试片高?(见图2橘色区块)

  AL试片:导热率高、辐射率低 ⇨ 热量累积在「表面」散不出去 ⇨ 上测温点温度最高

  BN试片:导热率低、辐射率中 ⇨ 热量积累在「界面」散不出去 ⇨ 下测温点温度最高 (8W)

  GE试片:导热率中、辐射率高 ⇨ 辐射散热带动传导散热 ⇨ 上下测温点温度都最低

  注:16W条件下,AL试片下测温点达94.4℃比BN试片的90.5℃高,表示在高温条件下,辐射率的影响远大于导热率。

  (一)金属原子容易失去最外层电子,形成正离子,失去的电子成为自由电子,形成电子云,与金属正离子通过正负电荷相吸引而结合在一起。金属正离子振动越快,自由电子移动速度越快,说明能量越高,也就是温度高,由于自由电子能够自由移动,金属正离子振动越快,互相传递能量的速度也就越快,所以传热比较快,也就是导热性好。以自然对流为例,传导速度 AL GE BN。

  (二)在2018-02-26付费给瑞领科技做强制对流试验,8W/16W条件下三个试片之辐射热传系数均为0,強制对流热传系数则为 GE BN AL。

  (三)将2020-02-27热电偶试验的数据(图2)输入后,8W条件下三个试片之自然对流热传系数为BN AL GE,而16W条件下三个试片之自然对流热传系数为AL BN GE。但若加总辐射热传系数后,总合热传系数为 GE BN AL。

  (一)导热性好,热量很快就从陶瓷加热片传导到基板上,但如果散热性不好,热量就会累积在基板上,直观来看就是温度上升了。还有一种情况就是导热性差,热量过不去基材,跟导热性好的材料来比较,就是温度高的位置不同,像是BN试片是下测温点温度高,而AL试片是上测温点温度高,这点还是有所不同的!

  (二)散热好不好,不能只能看对流热传系数,要看总合热传系数。以自然对流为例,即便GE试片之对流热传系数最小,但结果是上、下测温点温度最低,就是因为辐射热传系数的助益较大导致。

  我刚进入材料工程所读博就认定要以散热题目来发表,原先知识面都局限在「传导」这个领域,在石墨烯导热材料也在导热膏、导热垫这些产品上钻研。直到河南佰利联给了涂料我做成石墨烯散热涂料后惊为天人,我才开始研究「辐射」这个领域,通过与台科大机械系主任的讨论,这类题材根本没有学者敢挑战,最多只是做「传导+对流」,对「辐射+对流+传导」的研究基本上是没有。

  先从「传导」来说起,石墨烯涂层的确远比铝板的热导率差,之所以大家对石墨烯有期望是因为石墨烯本征在导热特性上是高于金属的,不过这也仅局限在单一的二维材料上。石墨烯高分子复材不论是排列或掺杂都无法达到一定的致密性,所以是比不上金属的。但为何几乎所有电子产品都需要做涂层,就是担心金属会氧化,再者整个热管理是个系统面,解决方案在找出「热瓶颈」,而不是单看哪个材质散热比较好。在以前的文章提起过,我们加入多层石墨烯作为散热填料,从高分子热导率0.2W/mK提升到33.3W/mK,远高于氮化硼及碳纳米管做填料的涂料。

  以热传递途径来看,热源先传导到基本后会经由两种途径逸散到环境中,分别是「对流」及「辐射」。过去,电脑使用散热风扇做强制对流,现在手机体积小、功率高,目前使用均热板及石墨膜都无法彻底解决散热日渐提高的规格要求,在有限空间内只能善用「辐射」特性来克服了。为此,我先做了石墨烯涂层、氮化硼涂层及铝板的辐射率量测,并付费给测试设备厂做强制对流测试,隐约可以发现石墨烯的辐射率比较高,相应在强制对流下的散热表现也比较好。我始终认为辐射率会影响对流系数,但相关文献都没有,又如何证明这个论点?我只好再进行自然对流实验。

  一开始做自然对流实验走了几趟冤枉路,买了非接触式及接触式加热板后才发现,定温度是到达温度点后持续加温,无法掌握真正的输入功率,这样就无法与强制对流的测试结果做比对。后面又使用了BOSCH GTC400红外线成像仪,结果与实测误差很大。原因在该成像仪是以辐射率做设定,太多干扰影响了真正的辐射率,最后只能作罢!只好重新买热电偶温度计,在热源与基板中间埋一个热电偶做下测温点,在试片表面埋一个热电偶做上测温点,终于找出我要的温度数据。因为文章还没发表,我只能整理几个结果分享给各位,也算是送给刚去贝特瑞工作的周泉竹博士的一个礼物吧!

  首先,是强制对流下不同功率的各项热传系数,可以发现在强制对流下,辐射热传系数均为0,石墨烯涂层的对流热传系数大于其它两个试片,反映在温度实测上在8W/16W热源时与铝板的温差是低于4.8℃/9.5℃。

  不过,我们也曾以粉末涂料厂的简易测试台测过在8W/16W热源时与铝板的温差是低于11.4℃/27.2℃,这让我怀疑为何强制对流环境下,降温幅度竟然低于自然对流环境下,所以我们得进一步做下自然对流实验来验证这个判断。

  我们设定测定时间为60分钟,每5分钟量测上、下测温点温度及电流量,量测电流是为了计算热量损耗,这损耗多半来自两个界面间的热阻。

  最后,我们换算出三个试片在不同功率下自然的对流热传系数,有趣的是在8W热源下,铝板的对流热传系数还比石墨烯涂层高,但两者在相同条件下的上测温点温度却是石墨烯涂层比铝板低15.4℃。这才让我们发现,如果加总了辐射热传系数成总合热传系数后,石墨烯涂层的 8.25W/m2K 就比铝板的 6.68W/m2K 高,这样就可以合理解释了!

  这几个实验也证明了以前几个对于散热的说法,像是在强制对流条件下热辐射效应可以忽略不计。但也打脸了几个说法,像是在自然对流下,热辐射换热占比高于七成,真正说法是不同辐射率、不同功率下的材质,都要分别计算对流热传系数与辐射对流系数,没有一定的比例。最后,再给各位秀下热模拟分析的图片,表示我真的很用心在做事,说我很专业也行,毕竟我是实业结合学术,很多资源我都可以轻松取得。



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