碳纳米管吸液芯高效热管传热及流动机理与实验研究

拟开展十倍于传统热管传热能力的碳纳米管芯高效热管性能研究。探讨利用碳纳米管阵列来替代传统热管内铜基吸液芯的可行性，揭示碳纳米管束作为热管吸液芯的热学特性和润湿特性，定量获得碳纳米管吸液芯热管内工作流体的气液相变、质量迁移速率、温度分布、轴向和径向导热性能，以及沸腾传热特性等。揭示碳纳米管结构长度、密度和布置方式对碳纳米管吸液芯内的毛细作用力与流动阻力的优化耦合关系。探讨工质及其热物性对工作在常温和低温条件下的碳纳米管吸液芯热管工作机理和整体传热性能的影响，最终形成系统性的碳纳米管热管理论设计计算方法和性能实验测量能力。碳纳米管热管对于解决高热流密度微电子电路与器件等应用的散热问题具有重要意义。

应用于武器系统、高速计算机、电动汽车等的微电子器件随着工作频率和集成度的提高，其单位面积/体积的发热量成指数上升，高出传统商业化热管临界热处理能力一个数量级。本项目旨在探讨利用碳纳米管阵列来替代传统热管内铜基吸液芯的可行性，揭示碳纳米管束作为热管吸液芯的热学特性和润湿特性，获得碳纳米管吸液芯热管内工作流体的气液相变、质量迁移速率、温度分布以及临界传热特性等。.项目主要（1）研究了作为新型热管吸液芯的碳纳米管束的综合导热特性、润湿特性以及吸液芯内流体的流动特性，提出了基于对应态原理的碳纳米管及管束热导率的无量纲化表征新方法，获得了适用于单壁碳纳米管、多壁碳纳米管甚至石墨的首个通用型热导率方程，具有明显的实用价值。（2）建立了碳纳米管吸液芯在空隙尺寸下的润湿模型，对孔槽形状、工质接触角以及尺度等因素进行了定量分析，发现液面形状只与气液表面能和液固表面能的相对大小有关，而模型尺度减小时，毛细压力呈指数增长。结合碳纳米管在热管内壁面的生长随机性特征，在整齐排列模型的基础上，提出了碳纳米管随机位置分布的处理方法以及其润湿模型，获得了微观单元内液体与蒸气界面以及液体与CNT界面的接触面积变化规律。（3）根据表面自由能最小化原理，提出了适用于吸液芯宏观尺度下大量碳纳米管阵列中的液体在表面张力的影响下的行为特性模型，给出了相比分子动力学等方法更为简便易行的、数值解和分析解结合的计算方法。发现CNT作为吸液芯时其间距相比传统多孔介质的大幅缩小，可导致等效的接触角更小，使得液体更容易扩散，证明了碳纳米管作为吸液芯在流体输运方面的优越性。（4）探索了铜粉与碳纳米管混合及烧结的技术工艺，在铜粉表面形成碳纳米管随机阵列，测量了混合烧结样品的渗透率和最大毛细压。（5）建立了基于格子Boltzmann方法的热管吸液芯及热管整体模型，模拟了微细尺度下碳纳米管吸液芯、工作介质（液体和气体）以及热管壁面之间热、流、固三者的耦合流动和传热特性。.通过本项目的研究，拓展了对不同工质在碳纳米管吸液芯微纳通道内的润湿特性和流动特性的认识，增强了对微纳尺度下此类热物理现象和机理的深入理解。所获得的研究结论对碳纳米管新型热管技术的发展以及优化运行具有指导意义，为获得稳定可靠的新型超级传热器件进而解决日益增长的高密度集成电路或电子器件的散热瓶颈问题提供了理论依据和技术支撑。