强化辐射换热涂层的性能研究 谢小青 化学工程与工艺专业 指导教师：吕树申教授 资助方：创新化学实验与研究基金

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1 强化辐射换热涂层的性能研究 谢小青 化学工程与工艺专业 04326052 指导教师：吕树申教授 资助方：创新化学实验与研究基金
谢小青 化学工程与工艺专业 指导教师：吕树申教授 资助方：创新化学实验与研究基金 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 1

2 强化辐射换热涂层的性能研究 1 研究意义 2 国内外研究现状 3 实验思路及创新点 4 实验研究 5 数值模拟研究 6 结果及分析
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3 一、研究意义 随着高热流密度电子产品、工业散热器和航天器的辐射器表面散热要求的提高，进行强化辐射换热的研究并开发性能更优良的强化辐射换热涂料具有巨大的社会价值与经济价值。 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 3

4 二、国内外涂料研究现状 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 04326052 Page 4 强化辐射换热涂料 广州智择电子
>0.90 常温 有机聚合物 强化辐射散热 散热器 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 4

5 三、研究思路及创新 本课题以实验研究与数值模拟相结合的方式，对一系列喷涂不同种类、不同厚度涂料的CPU散热片进行了自然对流条件下的辐射强化换热研究。 实验研究：喷涂散热片 搭建实验台系统 不同工况下的测试 模拟研究：建立系统模型 根据需要设置计算工况 创新点： 采用SINDA/FLUINT套装软件 Thermal Desktop进行数值模拟， 结合实验方法来进行研究。 啤酒罐模型 航天器模型 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 5

6 四、实验研究 Agilent34970A数据采集系统 （HP Inc.，USA，配J型热电偶） 变压器（金山门电器公司，
4.1实验设备与系统 Agilent34970A数据采集系统 （HP Inc.，USA，配J型热电偶） 变压器（金山门电器公司， 91L16，量程：0～250V） 数字式涂层测厚仪（时代，TT230） 数字式压力仪（瑞领科技， LW－9052，量程：0～100Kgf） 散热片（天极风，TJFP4-03） 加热器:自制 万用表 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 6

7 四、实验研究 3004涂料与3000涂料的主要区别在于导热率不同 3004涂料的导热率为4.24W/（m×K），
4.2实验工况及涂料介绍 3004涂料与3000涂料的主要区别在于导热率不同 3004涂料的导热率为4.24W/（m×K）， 3000涂料的导热率为1.19W/（m×K）。 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 7

8 四、实验研究 3004涂料 3000涂料 1、同种涂层的厚度越小，强化辐射能力越强；
4.3 实验结果 3004涂料 3000涂料 1、同种涂层的厚度越小，强化辐射能力越强； 2、1.8μm厚3004涂层散热片的散热热阻比无涂层散热片的散热热阻减少了10％； 3、15μm厚3000涂层散热片的散热热阻比无涂层散热片的热阻减少了约8％。 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 8

9 四、实验研究 3004涂料 3000涂料 在相同热载荷下，喷涂1.8μm厚3004涂层的散热器与无涂层的散热器相比，其与环境间温差要小3℃，即相同的环境温度下，散热器温度将降低3℃；而喷涂15μm厚3000涂层的散热器与不涂层的散热器相比，其与环境间温差要小2.8℃，即相同的环境温度下，散热器温度将降低2.8℃。 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 9

10 五、数值模拟研究 此模型包括26个面单元，796个节点，1个热载，1个面接触热阻。 5.1 建模方法
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11 五、数值模拟研究 5.2 模型设置 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 11

12 五、数值模拟研究 5.3 模拟结果 1）、无涂层组与1.8um厚3004涂层组的各个工况的实验结果与其计算结果都很好的吻合，说明模型计算是可靠的，并再次验证了1.8um厚3004涂层可使散热器温度下降3℃，且涂层越薄强化作用越大； 2）、通过模拟可预测0.1μm厚3004涂层及3000涂层散热片的散热效果，模拟结果表明当涂层厚度较小时导热率大小不同对散热影响不大，发射率是主要影响因素，涂层厚100nm时可比无涂层时散热器温度降低4℃； 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 12

13 五、数值模拟研究 小结： 1）、对比图A与其他几张图，可知涂层强化了辐射换热；
2）、对比图B与图C，图B温度稍微低一些，可知涂层厚度小利于强化散热； 3）、对比图C与图E，图C温度稍微低一些，可知导热率高的3004涂料较3000涂料更利于强化散热。 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 13

14 六、结果与讨论 1、这两种涂料喷涂到散热器表面的确能强化辐射散热。
2、喷涂1.8μm厚3004涂层的散热片的散热热阻比不喷涂涂层的散热片的热阻减少了10％，温度降低了3℃；喷涂15μm厚3000涂层的散热片的散热热阻比不喷涂涂层的散热片的热阻减少了约8％，温度降低了2.8℃；在相同热载荷及边界温度条件下，喷涂100nm厚两种涂层的散热器的温度均可降低约4℃。 3、同种涂层厚度越小，强化作用越大；相同厚度的不同涂层，导热率越大，强化散热越强。 4、数值模拟结果与实验结果相互吻合，验证适当喷涂的涂层可使散热片温度下降3～4℃；数值模拟结果预测对于相同厚度的涂层，其导热率高有利于强化散热，但涂层厚度较小时导热率不同对散热几乎没有影响。 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 14

15 致谢 强化辐射换热涂层的性能研究 感谢化学院创新化学实验与研究基金的支持， 感谢广州智择电子科技有限公司提供样品， 感谢吕树申教授的指导，
感谢刘俊威师弟的协助及莫冬传师兄的意见。 谢小青（SYSU） 创新化学实验与研究 化工专业 Page 15