碳基柔性散热纳米材料制备及其热管理应用研究

随着可穿戴设备逐步渗透到日常生活当中,人们对可穿戴设备性能的需求越来越高。同时,处理器的功率密度随着芯片集成密度的提升逐渐升高,而由于缺乏有效散热手段,这些热量不能有效地散发出去;此外,可穿戴设备还受到低温烧伤现象的限制;最后,芯片的多核化趋势无法避免地导致了热点的产生。以上因素导致了可穿戴设备的散热与性能之间的矛盾愈发严峻,极大地限制了可穿戴设备性能的提升。本文针对此问题,创新性地提出通过柔性散热片辅助散热以及基于柔性散热片的热管理算法来消除热点的系统性策略来缓解可穿戴设备温度与性能之间的矛盾。为此,我们对碳基柔性散热纳米材料的制备和柔性散热片结构进行了研究,并设计相应的可穿戴设备热管理算法,使可穿戴设备在相同温度阈值下的性能得到较大的提升,并以实验进行了充分验证。本文首先对基于碳基纳米材料掺杂的复合散热材料制备以及不同掺杂材料配比和掺杂浓度下的复合材料的导热能力和力学性能进行了测试和分析,实验结果表明,通过硅烷偶联剂KH570对碳基纳米材料表面改性可以有效改善其在聚二甲基硅氧烷PDMS中的分散度,进而提升复合材料的导热性能与力学性能;同时使用碳纳米管和石墨烯作为掺杂材料,利用其协同效应,可以有效提升掺杂材料对复合材料热导率的改善效果,其中,混合掺杂材料中碳纳米管和石墨烯质量比例在2 3:时对复合材料热导率改善效果最佳;随着混合掺杂材料含量上升,复合材料的导热能力也逐步上升,但复合材料断裂拉伸率会在峰值后逐渐下降;其中,掺杂浓度为8wt%的复合散热材料的导热能力和力学性能达到最佳,热导率为3.35W/m·K,断裂拉伸率为118%。然后,基于上述柔性散热材料,我们使用COMSOL对柔性散热片的几何结构进行仿真优化,实验结果表明,散热效果最好的散热片结构为:圆柱高度为1.25mm,直径为1.25mm,间距为1mm,交叉排列;相对于氟胶材料表带,该柔性散热片作为表带可以将智能手表的芯片功率预算提升11%。最后,我们在MATLAB中对基于贪心策略的可穿戴设备芯片的热管理算法进行了设计,实验结果表明,在9核芯片开启4个核心时,相对于目前可穿戴设备使用传统氟胶材料与随机分配开启核心位置的热管理算法,我们使用掺杂碳基纳米材料的柔性散热片与基于贪心策略的热管理算法,可以在相同的温度阈值下,将可穿戴设备的性能提升20%。