石墨散热片与纳米散热片的传热特性对比试验研究

　　随着科技的不断创新与发展，人们的生活水平不断提高，各类电子产品也飞速发展。各类新产品，新功能相继出现。随着功能的增多，电子产品的耗功也随之增加，PC机的芯片CPU的温度也随运算速度的成倍增加而大幅上升1-2.众所周知，电子元件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性，要让PC各部件的工作温度保持在合理的范围内，强化散热问题不容回避。

　　散热片是目前为有效的散热方式，随着市场对于散热片的大量需求，各类散热片相继出现。散热片的效果差异也成为各大厂商关注的问题。下面就两款新型材料散热片的散热效果做分析比较0. 1石墨散热片和纳米散热片的工作原理1.1石墨散热片1.1.1简介石墨是元素碳的一种同素异形体。目前所知的石墨具有耐高温、导电导热性、润滑性、化学稳定性、可塑性以及抗热震性。把石墨用作手机设计可以看到不少适合的用处。例如，目前手机上面采用的石墨散热片，主要就是利用了石墨的导热性。

　　石墨散热片也称导热石墨片，是种导热散热材料，具有的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，片层状结构可很好地适应任何表面，屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。

　　之所以能够设计成石墨散热片，还利用了石墨的可塑性，可以把石墨材料做成块像贴纸的薄片，让它贴附在手机内部的电路板上面。既可以阻隔原件之间的接触，也可以起到一定的抗震作用。1. 1.2工作原理以手机为例来介绍石墨散热片的工作原理。

　　手机的发热源之一就是CPU和Flash芯片，因此在这些芯片的封装层上面，贴有一张“7”字型的石墨散热片，散热片的另面在机身内会贴附在中间的金属板上面。而另外块较大的石墨散热片则贴在手机中间的金属板另一面，它对应连接的是屏幕的后部。因此，当手机没有拆开的时候，可以看到屏幕的后面以及CPU/Flash的热量都会通过中间的金属层相互传递，终使得热量能够均匀分布，并且通过空气的流动进行散热。所以，可以说手机的部分热量会通过LCD进行辅助散热，另外，手机后盖也是另一个散热面。

　　石墨散热片的工作原理如所示。

　　石墨散热片平面内具有150范围内的超高导热性能。准确来说，石墨散热片其实起到了导热并且把热量均匀的散布在表面的作用，间接的起到散热作用。

　　1.2纳米散热片1.2.1简介纳米散热片是一种纳米碳散热膜，即纳米碳材位置石墨散热片的原理图料做的散热膜，薄能做到0.01mm，纳米碳和石墨是同素异构体，散热原理差不多，一般天然石墨的散热功率在400W左右，人工石墨在1500W，而纳米碳的散热功率在1000~6000W，散热还是非常有效果的。同时纳米碳散热膜做出来已经是成品了，加工只用开模、冲切就可以，加工过程简单，费用低。重要的因素在于，纳米碳散热膜的成本不高，在市场上售价远低于人工石墨，甚至比有些天然石墨的价格还便宜。

　　此外，纳米散热片具有良好的柔韧性、可加工性、可返修性；EMI屏蔽和吸收以保护敏感的电子零件；符合RoHS标准可模切成定制的形状；适用的面积的相位差；超强辐射散热，超薄，环保，上下均绝缘等功能。

　　1.2.2工作原理纳米散热片是用高聚合性物质纳米碳混以多种其他颗粒而形成的具有高辐射效果的粉末状材料，有较高的传热性和灵活性。采用纳米碳材料均匀涂布于热效能好的铜、铝金属基材，由高导热效能进行热传导，再借由碳原子高热辐射效能，将热能转换为红外线射频，传递散热效能。纳米散热法工作原理与传统散热工作原理对比情况如所示。

　　2热力计算将散热片竖于房间中，散热片面积记为空间面积记为4.散热片长度约为0. 1m，宽约为0.06m，散热功率！取值为5 ~10W.当功率不同时，通过计算比较石墨散热片和纳米散热片的散热效果。下面为功率为5W时的计算过程。

　　故，当高温度为101. 17C时，热辐射量！热为：2.1石墨散热片对于石墨散热片，因为表面反射率较高，所以可以近似地认为热量全部通过自然对流散失，且热流密度分布均匀。

　　=70C，则得到空气物性参数为导热系数A=0.029Wm‘K）、运动粘度u=18.97x106m2/s、普朗特数Pr―格拉斯霍夫数；g―重力加速度，取9.一体胀系数；L―散热片长度，取0.代入数据，得：1相应Nu1为：Gr―格拉斯霍夫数。

　　x―散热片高度，m.对于竖于空间的散热片，其高温度发生在平板的上端，于是有高温度：计算结果与假设温度的偏差远小于1，故不再重算。

　　即对于石墨散热片，温度为130.3°C. 2.2纳米散热片由于纳米散热片是纳米碳材料做的一种散热膜，所选材料表面发射率=.5，表面发射率不是很高，散热以热辐射和热对流为主，且两种散热方式功率相当。先假定定性温度tm=65C，则得空气物性参数为A'=0.0293Wm‘K），运动粘度u'=19.49xl06m2/s，PV=0.695.由于2种散热方式相当，所以假设对流功率为3W，则得热流密度q'= =500W/m2.以散热片的长为特征长度得：对于竖于空间的散热片，其高温度发生在平板的上端，于是有：热由上述计算得！对流+！辐射5W，因此假设成立，满足条件，所以纳米散热片的高温度约为92.88C.按上面计算方法同样得到当功率取值为6 ~10W时，石墨散热片和纳米散热片表面高温度，并利用Origin画图如所示。

　　功率/W功率温度曲线图/埘钺由可以看到在不同功率下，纳米散热片高温度都明显低于石墨散热片的高温度，由此可以得出结论纳米散热片散热性能优于石墨散热片。

　　3试验内容3.1试验目的及方法将室温控制在20°C，设定热源功率为10W，测定时间为2h.给金属铝片通电加热，当温度升至定值时，放上散热片，测试点为散热片温度高点。分别在无散热片、石墨散热片和纳米散热片3种情况下进行测试，3次测试过程中散热片及热源的初温相同。测试空间为全封闭式，测试时测空气温度线不准接触空间器壁。通过试验测试比较石墨散热片与纳米散热片的散热效果，。

　　3.2数据处理通过试验结果得到一系列数据，利用origin软件将这些数据进行处理，得到无散热片、石墨散热片和纳米散热片这3种情况下的温度对比曲线图如所示。

　　无散热片石墨散热片纳米散热片时间/min温度对比曲线图由空气温度变化可以看出，石墨散热片空间内空气温度变化明显大于纳米散热片。即纳米散热片与空间空气热传导能力优于石墨散热片。

　　前期石墨散热片的散热效果强于纳米散热片但后期纳米散热片明显优于石墨散热片。4测试结果分析以铝片为基材，平面方向上的热传导系数在1200WKmI左右。对于纳米散热片和石墨散热片，石墨散热片能够比纳米散热片更快速有效地将热源产生的热量传导向石墨散热片所覆盖的整个表面，这样使散热片能够与环境空气有更大的对流换热温差，更有助于将热量通过对流扩散到周边的空气中，但是石墨散热片表面发射率很低，主要以对流散热方式为主，以致在受限空间内其中心点的热温度相对纳米散热片较高。

　　纳米散热片以热辐射、热对流两种散热方式为主，因此除了能与环境空气通过热对流方式进行热交换外，还能够将热源产生的热量转化为红外线辐射出去。而石墨散热片只能与环境空气进行热交换，在封闭的环境中不能将热量散出，当热量足够多时就很难对热源进行有效的降温，因此后期散热效果大大降低。

　　5结论石墨散热片以其高导热性能够将热源所产生的热量比较均匀的分散开，且增大热源与空气的接触面积从而增大其与空气的热对流量来起到散热效果。但随着科技的不断发展，电子设备越来越薄，设备内空间也越来越小。在这样的狭小环境中石墨散热片的散热能力将受到很大的限制。而纳米散热片却没有这个限制，纳米散热片主要是以其高辐射率来完成散热效果，空间中的空气量对其没有太大的影响。所以纳米散热片作为新型的散热片材料必将逐渐取代石墨散热片。