CN112949064B - 一种基于石墨烯膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法 - Google Patents

一种基于石墨烯膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导热链优化设计方法，涉及基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链优化设计方法领域，所述导热链包括由多个石墨烯层构成的石墨烯膜和位于所述石墨烯层间的法向导热层；所述导热链两端分别为冷端和热端，且所述法向导热层位于所述冷端和热端。采用本专利中的方案，可以实现导热链的轻质、高柔性和高导热性，同时实现有效隔振，能够实现空间制冷***的轻量化、高效率、易实施和高可靠性。

Description

一种基于石墨烯膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种导热链优化设计方法，特别指一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法。
背景技术
导热链经常用于空间相机焦面与制冷机冷指之间传热，或用于热源和辐射散热面之间传热。目前冷链(也叫导热链)材料主要以碳基冷链和金属基冷链为主，金属材料的密度大，导热系数较低(银、铜、铝的常温热导率分别仅有430W/mK、400W/mK、238W/mK)，高密度、高刚度、低导热率的金属材料很难满足高导热效率、轻质高柔性的应用需求。
热裂解石墨膜和压延膜也用于制备导热链，一般应用在150K以上温区的空间热管理。在热裂解石墨膜中，高度取向的石墨晶体及共价交联结构造成了其柔性与导热性能难以兼容的矛盾。同时，其热裂解产生的石墨晶体单元的微小尺寸也是碳化膜导热难以突破的原理性难题。膨胀石墨压延膜是将石墨粉体通过压延成型制备的晶体粉末材料。压延膜过程中难以控制的晶体边缘解理面缺陷直接造成其导热率仅有600W/mk、严重的结构不稳定(容易掉渣掉粉)和脆性，难以适应空间应用中的柔性高导热材料的性能需求。
我国是世界上优质石墨储量和产量最大的国家。拥有制备石墨烯膜的丰富的原材料。在柔性冷链航天化应用方面，国内外研究虽存在一定差距，但差距不大。国外石墨片、石墨压延膜均已获得航天应用，冷链制备工艺也较成熟。但石墨烯膜冷链的相关工作目前尚未见公开报道。本发明通过研制一款新型石墨烯膜柔性导热链，有效的解决了普通导热链轻质、高柔性、高导热性难以兼容的问题，同时有利于实现三维随形布置。大大节省对空间的应用需求。对于遥感相机减重，制冷***性能提升有着重要的意义。
传统金属基冷链或热管首先重量重、刚度高，而金属基冷链在60K-220K 温区的热导率通常较低，不到400W/mK，而目前的热管技术很难覆盖常温至深低温区，且柔性与石墨烯膜冷链也有较大差距，难以适用减振需要。该研究成果在航天器高效热控、减重、减振和能源高效利用等领域有广泛的应用。
为了实现石墨烯膜冷链高导热性、轻量化和超柔性兼容性设计，需要对冷链整体结构开展优化设计。因此，设计一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法，以适应航天应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法，解决快速设计高效导热、隔振石墨烯膜导热链的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法，导热链至少包括由多个厚度为X1的石墨烯层构成的石墨烯膜，10μm≤X1≤100μm；石墨烯膜最薄处的厚度为X2，X2≤15mm；石墨烯膜的两端具有法向导热层，构成导热链的冷端和热端，法向导热层位于石墨烯层层间；冷端和热端之间为冷链自由段；冷链自由段长度LZ为5cm-50cm；石墨烯膜长度L大于冷端和热端之间的距离的103％；该方法包括：采集设计目标，根据设计目标对导热链的各项参数进行优化，设计目标包括：石墨烯膜最窄处的宽度Z(单位：m)、综合热导率Y2(单位：W/m·K)、热通量Q(单位W)、减振效率C；
导热链的优化参数为：单个石墨烯层的厚度X1(单位：μm)、石墨烯膜最薄处的厚度X2(单位:mm)、石墨烯膜长度L(单位：m)、冷链自由段总长LZ (单位：cm)，冷端和热端之间的距离d(单位：m)，具体为：
Figure BDA0002961741150000031
其中，ΔT为石墨烯膜冷链两端温差；T1为环境的温度；
S为中间变量，
Figure BDA0002961741150000032
l0为冷链自由段总长LZ减去自由段两端直线距离l。
Figure BDA0002961741150000033
为弯折减振指数，Ri为第i个弯折处的弯折系数，
Figure BDA0002961741150000034
θi为第i个弯折处的弯折角度；n为弯折数；
Figure BDA0002961741150000035
为曲率减振指数，其中，Wi为第i个弯折处的曲率减振系数，
Figure BDA0002961741150000036
wi为第i个弯折处的曲率半径。
本发明的有益效果为：采用本专利中的方案，可以实现导热链的轻质、高柔性和高导热性，同时实现有效隔振，能够实现空间制冷***的轻量化、高效率、易实施和高可靠性。
附图说明
图1为本发明的顶部立体示意图；
图2为本发明的侧视示意图；
图3为本发明的弯折示意图；
图中：1——石墨烯层；2——热端接头；3——热端接头盖板；4——冷端接头；5——冷端接头盖板；6——金属过渡层；7——磁控溅射金属层；8——焊料层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，导热链的测试采用Jet Propulsion实验室的Conductance test 测试方法，具体见Pyrolytic graphite film thermal straps:Characterization testing。
如图1-3所示，本发明涉及的导热链包括由多个石墨烯层1构成的石墨烯膜和位于所述石墨烯层1间的法向导热层，所述法向导热层包括焊料层8，所述导热链两端分别为冷端和热端，且所述法向导热层位于所述冷端和热端。石墨烯膜中间部分不具有上述焊料层8。冷端和热端之间为冷链自由段。
通常的，先在石墨烯层1的表面通过离子注入法制备金属过渡层6，再进一步通过磁控溅射法溅射磁控溅射金属层7，再进一步磁控溅射焊料层8；通过热压焊的方式，将两个石墨烯层焊接，即实现两个石墨烯层的组装。
在实际应用时，将上述导热链的端部封装在壳体内，分别为热端壳体和冷端壳体，如图1和2所示，其中，冷端壳体包括冷端接头4、冷端接头盖板 5，热端壳体包括热端的热端接头2和热端接头盖板3，接头和盖板相互配合形成用于容置上述石墨烯膜的腔体，导热链两端分别***到壳体内，且壳体内表面与导热链表层石墨烯层上的焊料层焊接。通常的，接头和盖板之间通过机械压紧后焊接，以保证与石墨烯膜之间的紧密连接。
以下三个实施例中，均根据新一代红外遥感相机对高分辨率空间观测的要求，设计一种用于遥感相机制冷机与探测器之间冷量传递的导热链，分别针对不同应用温区开展设计，其中实施例一、二、三的应用背景分别为：红外焦平面探测器-制冷机冷端热连接器件；相机低温镜头均温用热连接器件；制冷机压缩机及热端散热用热连接器件。
设计目标一包括：综合热导率Y2(单位：W/m·K)大于等于 600W/m·K@80K，热通量Q(单位W)大于等于3W@80K，减振效率C大于等于97％，并根据实际工作环境(安装结构)确定的石墨烯膜最窄处的宽度Z。
设计目标二包括：综合热导率Y2(单位：W/m·K)大于等于 1000W/m·K@80K，热通量Q(单位W)大于等于6W@180K，减振效率C 大于等于96％，并根据实际工作环境(安装结构)确定的石墨烯膜最窄处的宽度Z。
设计目标三包括：综合热导率Y2(单位：W/m·K)大于等于 900W/m·K@80K，热通量Q(单位W)大于等于10W@293K，减振效率C 大于等于95％，并根据实际工作环境(安装结构)确定的石墨烯膜最窄处的宽度Z。
以下三个实施例中，1)采用高能离子注入的手段将Cu、Ag依次以离子态轰击至石墨烯层1的晶格中，Cu:Ag＝1：3(按重量百分比，波动不超过10％)，形成厚度为3-5纳米的金属过渡层6；离子注入选用中束流注入，束流值控制在3000-4000之间，总注入量控制在4×1016次方量级，注入温度控制在200℃；
2)在金属过渡层6表面上，采用磁控溅射方式溅射Mo、Sn、Ti、Ni材料涂覆在离子注入的金属过渡层表面，Mo:Sn:Ti:Ni＝6:6:3:1(按重量百分比，波动不超过10％)，磁控溅射温度控制300±50℃，电压控制在600V-800V，通电电流1-3A，获得300-500nm厚的磁控溅射金属层7；
3)通过磁控溅射的手段将焊料(包括Ag、Sn、Cu、Au)溅射至金属层 7上，其中，Ag:Sn:Cu:Au＝2:8:1:2(按重量百分比，波动不超过10％)，形成厚度为4-5微米的焊料层8。
4)两层石墨烯层的热压焊的温度范围控制在750～800℃，压力控制在1～2 MPa，压焊时间为3min。
根据本发明的设计方案，在不同的工况下进行优化设计：
Figure BDA0002961741150000061
其中，ΔT为石墨烯膜冷链两端温差；T1为环境的温度；
S为中间变量，
Figure BDA0002961741150000062
l0为冷链自由段总长LZ减去自由段两端直线距离l。
Figure BDA0002961741150000063
为弯折减振指数，Ri为第i个弯折处的弯折系数，
Figure BDA0002961741150000064
θi为第i个弯折处的弯折角度；n为弯折数；
Figure BDA0002961741150000065
为曲率减振指数，其中，Wi为第i个弯折处的曲率减振系数，
Figure BDA0002961741150000066
wi为第i个弯折处的曲率半径。
下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
实施例1
本实施例的导热带工作在80K温区，根据安装结构确定石墨烯膜最窄处的宽度固定为40mm。
本实施例选用的石墨烯膜产品型号为GX-GF-10，其厚度为10微米，构成本发明的单个石墨烯层。
实施例2
本实施例的导热带工作在180K温区，根据安装结构确定石墨烯膜最窄处的宽度固定为40mm；
本实施例选用的石墨烯膜产品型号为GX-GF-32，其厚度为32微米，构成本发明的单个石墨烯层。
实施例3
本实施例的导热带工作在290K温区，根据安装结构确定石墨烯膜最窄处的宽度固定为40mm；
本实施例选用的石墨烯膜产品型号为GX-GF-100，其厚度为100微米，构成本发明的单个石墨烯层。
根据本发明的设计方案，可以获得以上三个实施例的优化参数，以及各个实施例对应的测试结果Y2、Q、C如下：
Figure BDA0002961741150000071
Figure BDA0002961741150000081
由此可见，本发明的优化设计方法的误差很小，有效地实现了石墨烯导热链的快速优化设计。

Claims (1)

1.一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法，所述导热链至少包括由多个厚度为X1的石墨烯层构成的石墨烯膜，10μm≤X1≤100μm；石墨烯膜最薄处的厚度为X2，X2≤15mm；石墨烯膜的两端具有法向导热层，构成导热链的冷端和热端，所述法向导热层位于石墨烯层层间；冷端和热端之间为冷链自由段；冷链自由段长度LZ为5cm-50cm；该方法包括：采集设计目标，根据设计目标对导热链的各项参数进行优化；所述设计目标包括：石墨烯膜最窄处的宽度Z，单位：m、综合热导率Y2，单位：W/m·K、热通量Q，单位：W、减振效率C；
导热链的优化参数为：单个石墨烯层的厚度X1，单位：μm、石墨烯膜最薄处的厚度X2，单位:mm、石墨烯膜长度L，单位：m、冷链自由段总长LZ，单位：cm，冷端和热端之间的距离d，单位：m，具体为：
Figure FDA0003652250560000011
其中，ΔT为石墨烯膜冷链两端温差；T1为环境的温度；
S为中间变量，
Figure FDA0003652250560000012
l0为冷链自由段总长LZ减去自由段两端直线距离l；
Figure FDA0003652250560000013
为弯折减振指数，Ri为第i个弯折处的弯折系数，
Figure FDA0003652250560000021
θi为第i个弯折处的弯折角度；n为弯折数；
Figure FDA0003652250560000022
为曲率减振指数，其中，Wi为第i个弯折处的曲率减振系数，
Figure FDA0003652250560000023
wi为第i个弯折处的曲率半径。
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