【摘 要】
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随着芯片向高性能方向发展,其热管理问题日益严峻。对于具有短时高发热特性的弹载芯片,可利用热沉内相变材料（PCM）的融化吸收发热量,短期内抑制芯片温度升高的相变温控技术,解决主动温控装置体积庞大的问题。但受限于相变材料导热系数普遍较低,部分热沉难以满足芯片的温控需求。因此,采用添加纳米粒子、添加泡沫金属与添加金属肋片三种方法,对硬脂酸（SA）与RT70两种相变材料进行传热强化,并以温控效果为核心,探
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随着芯片向高性能方向发展,其热管理问题日益严峻。对于具有短时高发热特性的弹载芯片,可利用热沉内相变材料（PCM）的融化吸收发热量,短期内抑制芯片温度升高的相变温控技术,解决主动温控装置体积庞大的问题。但受限于相变材料导热系数普遍较低,部分热沉难以满足芯片的温控需求。因此,采用添加纳米粒子、添加泡沫金属与添加金属肋片三种方法,对硬脂酸（SA）与RT70两种相变材料进行传热强化,并以温控效果为核心,探究最佳热沉结构。基于最小火积耗散热阻原理,以火积耗散热阻为评价指标,分析了相变材料添加高导热材料后热沉的传热性能,并根据最小火积耗散热阻原理衍生出的温度梯度模均匀化优化原则,提出了一种肋片集中分布的填充纳米复合相变材料的热沉结构,并在变工况下研究其适用范围。结果表明:（1）添加单壁碳纳米管（SWCNT）或石墨烯纳米片（GNP）使液态PCM内部涡流逐渐减弱,最终形成流速较慢的环流;流场的改变导致液态PCM自然对流换热的减弱;但综合两相PCM的导热与对流换热来看,纳米粒子尤其是GNP的加入显著增强了热沉的整体传热能力,并强化了对芯片的温控效果。填充8vol%GNP/SA或8vol%GNP/RT70的热沉,其火积耗散热阻分别降低32.9%与27.5%,芯片安全工作时间分别延长388.5s与680s。（2）添加泡沫铜抑制了液态PCM涡流的产生,恶化了液态PCM的对流换热;综合来看,添加高孔隙率泡沫铜时,热沉传热性能被削弱,低孔隙率时则被增强,但温控效果均较差;采用泡沫铜+GNP共同强化时强化效果显著,向孔隙率96%的泡沫铜中添加4 vol%GNP/SA或4vol%GNP/RT70的热沉,其火积耗散热阻分别降低41.6%与32.7%,芯片安全工作时间分别延长406s与444.5s。（3）三种强化方式中,添加肋片温控效果最优;在此基础上,利用3.8vol%GNP替代相同体积的肋片且将肋片位置向芯片上方集中,可达到最佳温控效果;肋片集中分布的填充GNP/SA的最佳热沉结构,相较于无强化与泡沫铜+GNP强化的相变热沉,火积耗散热阻分别降低了 67.2%与23.8%,芯片安全工作时间分别延长1391s与420.5s;并且,在芯片功率较大、环境温度较高、热流冲击显著或某一芯片发热量占比大的情况下,该热沉结构温控效果更为突出。
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