《碳納米管吸液芯高效熱管傳熱及流動機理與實驗研究》是依託上海交通大學，由黃永華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：碳納米管吸液芯高效熱管傳熱及流動機理與實驗研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：黃永華
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
擬開展十倍於傳統熱管傳熱能力的碳納米管芯高效熱管性能研究。探討利用碳納米管陣列來替代傳統熱管內銅基吸液芯的可行性，揭示碳納米管束作為熱管吸液芯的熱學特性和潤濕特性，定量獲得碳納米管吸液芯熱管內工作流體的氣液相變、質量遷移速率、溫度分布、軸向和徑嚮導熱性能，以及沸騰傳熱特性等。揭示碳納米管結構長度、密度和布置方式對碳納米管吸液芯內的毛細作用力與流動阻力的最佳化耦合關係。探討工質及其熱物性對工作在常溫和低溫條件下的碳納米管吸液芯熱管工作機理和整體傳熱性能的影響，最終形成系統性的碳納米管熱管理論設計計算方法和性能實驗測量能力。碳納米管熱管對於解決高熱流密度微電子電路與器件等套用的散熱問題具有重要意義。
結題摘要
套用於武器系統、高速計算機、電動汽車等的微電子器件隨著工作頻率和集成度的提高，其單位面積/體積的發熱量成指數上升，高出傳統商業化熱管臨界熱處理能力一個數量級。本項目旨在探討利用碳納米管陣列來替代傳統熱管內銅基吸液芯的可行性，揭示碳納米管束作為熱管吸液芯的熱學特性和潤濕特性，獲得碳納米管吸液芯熱管內工作流體的氣液相變、質量遷移速率、溫度分布以及臨界傳熱特性等。 項目主要（1）研究了作為新型熱管吸液芯的碳納米管束的綜合導熱特性、潤濕特性以及吸液芯內流體的流動特性，提出了基於對應態原理的碳納米管及管束熱導率的無量綱化表征新方法，獲得了適用於單壁碳納米管、多壁碳納米管甚至石墨的首個通用型熱導率方程，具有明顯的實用價值。（2）建立了碳納米管吸液芯在空隙尺寸下的潤濕模型，對孔槽形狀、工質接觸角以及尺度等因素進行了定量分析，發現液面形狀只與氣液表面能和液固表面能的相對大小有關，而模型尺度減小時，毛細壓力呈指數增長。結合碳納米管在熱管內壁面的生長隨機性特徵，在整齊排列模型的基礎上，提出了碳納米管隨機位置分布的處理方法以及其潤濕模型，獲得了微觀單元內液體與蒸氣界面以及液體與CNT界面的接觸面積變化規律。（3）根據表面自由能最小化原理，提出了適用於吸液芯巨觀尺度下大量碳納米管陣列中的液體在表面張力的影響下的行為特性模型，給出了相比分子動力學等方法更為簡便易行的、數值解和分析解結合的計算方法。發現CNT作為吸液芯時其間距相比傳統多孔介質的大幅縮小，可導致等效的接觸角更小，使得液體更容易擴散，證明了碳納米管作為吸液芯在流體輸運方面的優越性。（4）探索了銅粉與碳納米管混合及燒結的技術工藝，在銅粉表面形成碳納米管隨機陣列，測量了混合燒結樣品的滲透率和最大毛細壓。（5）建立了基於格子Boltzmann方法的熱管吸液芯及熱管整體模型，模擬了微細尺度下碳納米管吸液芯、工作介質（液體和氣體）以及熱管壁面之間熱、流、固三者的耦合流動和傳熱特性。 通過本項目的研究，拓展了對不同工質在碳納米管吸液芯微納通道內的潤濕特性和流動特性的認識，增強了對微納尺度下此類熱物理現象和機理的深入理解。所獲得的研究結論對碳納米管新型熱管技術的發展以及最佳化運行具有指導意義，為獲得穩定可靠的新型超級傳熱器件進而解決日益增長的高密度積體電路或電子器件的散熱瓶頸問題提供了理論依據和技術支撐。
