[论文解读] A light-weight and high thermal performance graphene heat pipe

Ya Liu, Shujing Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2020

Graphene research and applications参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出一种轻量化、高性能的热管，其表面涂覆石墨烯薄膜并具有纳米结构铜表面，热性能达6100 W m⁻² K⁻¹ g⁻¹——约为商用铜基热管的三倍，适用于航空电子设备、电动汽车及便携式电子产品等先进热管理应用。

ABSTRACT

Heat pipe is one of the most efficient tools for heat dissipation in electronics and power systems. Currently, heat pipes are usually made of copper, aluminum or stainless steel. Due to their relatively high density and limited heat transmission capacity, heat pipes are facing urgent challenges in power electronics and power modules. In this paper, we report a new class of graphene enhanced heat pipes that can cope with these issues. The graphene enhanced heat pipes are made of high thermal conductivity graphene assembled film and graphene laminated copper films with nanostructure enhanced inner surfaces. The study shows that the dramatically improved heat dissipation capacity, 6100 W m-2 K-1 g-1, about 3 times higher than that of copper based commercial heat pipes can be achieved. This paves the way for using graphene enhanced heat pipes in light-weight and large capacity cooling applications, as required in many systems such as avionics, automotive electronics, laptop computers, handsets and space electronics.

研究动机与目标

• 解决传统铜、铝或不锈钢制成的热管因密度高且传热能力有限而存在的局限性。
• 应对功率电子器件与功率模块中对轻量化与高容量散热的迫切需求。
• 开发一种新型热管设计，采用石墨烯薄膜与纳米结构铜表面，以提升热导率与毛细抽吸性能。
• 通过轻量化与卓越热性能的结合，实现航空电子设备、电动汽车及空间电子设备等严苛环境下的应用。

提出的方法

• 制备了具有高热导率的石墨烯薄膜，作为主要的热传导层。
• 将石墨烯层压铜结构与具有纳米结构的内表面结合，以增强毛细抽吸能力与热扩散性能。
• 通过高导热石墨烯薄膜与微/纳米结构铜表面的协同设计，提升热传输与液态工质回流性能。
• 采用密封且气密性良好的外壳结构，确保在高温条件下运行的完整性。
• 在受控条件下进行热性能测试，以测量有效热导率与传热容量。
• 采用 W m⁻² K⁻¹ g⁻¹ 作为性能指标，与传统铜基热管进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯基薄膜能否显著提升热管的热性能，使其超越传统铜基设计？
• RQ2 对热管内壁表面进行纳米结构化，能在多大程度上改善毛细抽吸能力与整体传热效率？
• RQ3 高导热石墨烯薄膜的集成如何影响热管的比热性能（W m⁻² K⁻¹ g⁻¹）？
• RQ4 所制备的热管能否同时实现轻量化特性与高热性能，适用于先进电子设备？
• RQ5 与商用铜基热管相比，石墨烯增强型热管的热性能最高可达到多少？

主要发现

• 石墨烯增强型热管实现了6100 W m⁻² K⁻¹ g⁻¹的热性能，约为商用铜基热管的三倍。
• 采用石墨烯薄膜与纳米结构铜表面显著提升了热导率与毛细抽吸能力，实现了高效的热传递与工质回流。
• 得益于低密度石墨烯与优化的铜结构设计，该热管具备轻量化特性，适用于对质量要求极低的应用场景，如航空航天与便携式电子产品。
• 该热管在标准工作条件下表现出优异的热稳定性和一致的性能，表明其具备实际部署的可靠性。
• 结果证实，石墨烯基增强技术可有效突破传统热管材料在高功率电子系统中性能与重量的双重限制。