《低维碳基导热材料》为“低维材料与器件丛书”之一。低维材料，由于其自身的导热性质及结构可控性，一直以来在热管理方面得到了很好的应用。低维碳基材料具有优异的导热性能，可以广泛应用于芯片、电子元器件、电源系统、大功率发光二极管（LED）等散热与管理。《低维碳基导热材料》是基于作者及团队在低维材料的导热性能及其热管理应用领域十几年研究成果的总结，并对国内外该领域*新研究进展进行了综述和系统分析，重点阐述了各种低维高导热碳材料的制备与应用，并对其他纳米碳材料在热管理方面的应用进行了归纳与总结，*后探索了相变储能材料及其应用、电子封装与热管理工程、碳基芯片界面传热材料与技术、消费电子产品热管理技术等，对该领域的研发具有一定的学术价值。

第1章绪论
　　1.1热管理工程
　　热管理包括热的分散、存储与转换，是一门横跨材料、电子、物理等学科的新兴交叉学科[1]。热管理工程在电子封装[2]、汽车[3]、动力电池[4]等行业中，均有特定的概念与内涵，其中热管理材料与其他控制器件协同保证这些系统在适当的温度范围内正常运行。随着科学技术和社会经济的飞速发展，热管理技术对热量分散的速率、热量存储的效率与容量以及热-电等转换的方向及效率等提出了越来越高的要求，先进热管理系统已经在电子设备、汽车工业及新能源行业发挥着越来越重要的作用。
　　热管理工程工业是根据具体对象的要求，利用加热或冷却手段对其温度或温差进行调节和控制的过程。日常生活和生产中热管理随处可见，如手机、计算机、汽车、房间以及各种工业应用。以锂离子电池为例，它们在15～20℃的温度环境下能够发挥*佳的工作效率；如果超过50℃，电池的寿命就会快速衰减，并且可能引发安全事故。因此，热管理工程在储能系统中的应用越来越重要，在设计和运营中需要充分考虑。
　　热管理对象、热管理参数（如温度）与实现手段（如耗能），是热管理工程的三要素。热管理通过温度体现，温度可度量且可测。温度差是传热过程的动力，有温差才有热量的流动；要实现温度差，需要消耗能量，能量的形式可以是电能、热能、机械能、磁能等。
　　1.1.1电子设备的热管理
　　对电子设备而言，热管理工程的实施控制着电子设备内部与外部环境的热交换过程，确保电子设备在各种运行状态下的温度处于要求范围内。电子设备的热管理系统如图1-1所示。
　　图1-1电子设备的热管理系统[1]
　　在先进电池系统（锂电池、燃料电池、镍氢电池等）中，热管理的作用是“在电池温度较高时进行有效散热，而在温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充电、放电性能”；同时减小电池组内的温度差异[4，5-7]。先进电池的热管理系统可以根据温度对电池充放电性能的影响，结合电池的电化学特性与产热机理，基于电池的*佳充放电温度区间，通过合理的设计，解决电池在温度过高或过低情况下运行引起电池性能下降甚至失效的问题，确保电池的整体性能[8]。对纯电动汽车、混合动力电动汽车及其他以动力电池为动力来源的动力系统，电池热管理的意义重大，不仅关系着汽车整体的运行效率，也关系着汽车本身的安全性能。
　　随着3D芯片堆栈技术的发展，电子器件的集成度持续以每年40%～50%的速度提高，在电子器件中，相当一部分功率损耗转化为热的形式。20世纪80年代，集成电路热流密度约10W/cm2；20世纪90年代增加到20～30W/cm2，2008年已接近100W/cm2。目前芯片级热流密度已经超过1kW/cm2，局部热点的热流密度甚至达到30kW/cm2[9-11]。为了确保发热电子元器件所产生的大量热量能够及时有效地散出，热管理已经成为微电子产品系统组装的重要一环。
　　目前，热管理系统的设计主要掌握在主机厂手中，零部件领域以阀体和换热设备的进口替代率*高。我国部分以传统汽车热管理业务为主的零部件公司，如三花智控、银轮股份、奥特佳等，也在加大布局[12]。新能源汽车的热管理行业正处于发展初期，国际巨头拥有丰厚的技术储备，本土企业兼具贴近市场和低成本两大优势，两类企业各有机会[13]。
　　1.1.2汽车热管理系统
　　汽车热管理系统包括发动机冷却系统、暖通空调系统及发动机尾气废热回收系统等，其工作性能的优劣，直接影响着汽车动力系统的整体性能。汽车热管理系统所涉及的热管理材料更为广泛，包括用于汽车尾气废热回收及座椅温度调控的热电材料[14]、用于汽车预热及电池热管理的相变材料（phase change material，PCM）[15]以及高导热冷却液的纳米流体[16]等。显然，汽车热管理系统是从系统集成和整体角度出发，统筹设计热量与发动机和整体车身之间的关系，采用先进材料、电子及智能化手段控制和优化热量传递及分布[17，18]。现代汽车热管理系统如图1-2所示。
　　图1-2现代汽车热管理系统[18]
　　汽车热管理技术被列为美国21世纪商用车计划的关键技术之一，在提高整车性能方面潜力巨大。高性能汽车热管理系统的控制目标是提高燃料经济性，降低排放，增加功率输出和车辆承载能力，降低气动阻力损失和车辆维护费用，提高可靠性以及车辆对环境的适应能力[18，19]。目前，汽车热管理系统的发展趋势主要有以下几个方面。
　　1.控制智能化
　　随着计算机技术及发动机电控技术的发展，可以通过传感器和计算机芯片根据实际发动机的温度控制运行冷却水泵、风扇、节温器等部件，提供*佳的冷却介质流量，实现热管理系统控制智能化，降低能耗，提高效率。
　　1992年VEC（Valeo Engine Cooling，法雷奥发动机冷却）公司开发出了一种由电控水泵、电控节温器和电动风扇组成的发动机冷却系统，可以根据冷却液温度或发动机部件温度控制冷却液流量[18，20]。这种系统可以节省燃油5%，降低碳氢化合物（HC）的排放10%；但NOx排放增加10%～20%。1999年VEC公司又提出在发动机上配置泰美斯（Themis）公司的先进发动机热管理系统，主要部件包括电控水泵、电控节温器和电控风扇；其中风扇Fantronic的转速可以根据冷却液温度和空气调节循环参数调节，以达到欧Ⅳ、欧Ⅴ排放标准和北美CAFE标准。与普通发动机冷却系统相比，先进发动机热管理系统不仅可以节约2%～5%的燃油消耗，还可使碳氢化合物（HC）排放减少10%、CO排放减少20%、NOx排放量基本恒定；同时缩短发动机暖机、空调制冷和车室升温的时间。该系统还具有良好的后加热功能，当发动机停车后，可以使VolvoS80在环境温度为？20℃时，保持驾驶室温度30min基本不变[21]。2004年清华大学[22]建立了国内**个汽车热管理系统试验平台，该平台为汽车热管理，特别是燃料电池汽车热管理的技术研究提供相应的平台支持。随之，同济大学倪计民等[23]建立了发动机热管理系统试验平台，包括驾驶室取暖器、节气门加热装置、发动机罩等，结构与整车相同，可以研究热管理系统中各部件的工作特性，进行发动机各种工况的热性能试验研究；浙江大学谭建勋等[24]进行了工程机械热管理系统试验平台的开发，该试验平台能够较准确地测量系统各部件热特性参数，同时也可以评价整车的冷却系统性能，优化整车的散热系统匹配设计。
　　2.结构*优化
　　冷却液流量、压力以及合理的流场分布都直接影响发动机的冷却效果。改进发动机冷却套结构，寻求合适的流场分布，可以改善发动机的热负荷和热应力，防止发动机部件损坏，提高发动机零部件的使用寿命、发动机功率及燃油的经济性。
　　1）分流式冷却
　　Kobayashi等[25]早在1984年就提出分流式冷却系统的设计，即气缸盖和气缸体有不同的冷却回路，使得气缸盖和气缸体具有不同的温度。较低的气缸盖温度有利于进气和改善排放，而较高的气缸体温度则有利于降低摩擦损耗，改善燃油经济性。该设计的优势在于使发动机各部分在*优的温度设定点工作，达到较高的冷却效率。试验结果表明：将流向气缸盖的冷却液温度降为50℃，而流向气缸体的为80℃，可使压缩比从9提高到12，能够实现部分负荷状态节油5%、怠速节油7%、满负荷时的功率输出提高10%的目标。Finlay等[26]验证了使用该系统可使两者温度相差约100℃，当气缸体温度高达150℃时，气缸盖温度可降低到50℃，在较高的气缸体温度下油耗量降低4%～6%，在部分负荷时，HC排放量降低20%～35%。节气门全开时，气缸盖和气缸体温度设定值*大可调50℃和90℃，从整体上改善了燃油消耗、功率输出和排放。
　　2）逆流式冷却
　　将温度较低的冷却介质*先引入气缸盖冷却套，然后流过气缸体冷却套，使气缸盖温度低于气缸体。这种冷却系统理论上可以提高压缩比和提升充气效率，但根据VEC公司在气候风洞的测试，逆流式冷却系统和传统冷却系统性能区别不大[21]。
　　3）精确冷却
　　精确冷却就是利用*少的冷却介质达到*佳的温度分配[26]。精确冷却系统的设计关键在于确定冷却套的尺寸及选择匹配的冷却液泵，以保证系统的散热能力能够满足发动机低速大负荷时关键区域工作温度的需求。Clough[27]对四气门汽油机的气缸体和气缸盖进行改造，实现精确冷却，使得冷却水套容积减少64%，水泵功率消耗减少54%，暖机时间缩短18%。
　　4）紧凑型冷却
　　与传统的轴流式冷却系统相比，紧凑型冷却系统（compact cooling system，CCS）[28]是基于离心式风扇的径流式系统，散热器、中冷器和冷凝器都布置在风扇周围，且系统单位体积的性能提高了42%，噪声降低了6dB左右。同时，径流式风扇功率消耗为轴流式风扇的70%。但是，由于发动机舱纵向空间限制，CCS存在着一个内在的缺点—装配困难。这种技术已逐渐受到国内外研究人员的重视，并正处于研发阶段。Page等[29]研制的军用货车热管理系统模块舱的散热也使用了离心式风扇，改善了模块舱内的通风散热。
　　3.布局合理化
　　空气侧部件的空间布局对发动机舱内的空气流动和温度分布影响显著。Delphi汽车公司针对传统的冷凝器-散热器-风扇布置顺序的冷却模块（condenser，radiator power train，fancooling module，CRFM），提出了新的冷凝器-风扇-散热器布置顺序的冷却模块（condenser，fan，radiator power train cooling module，CFRM）概念，即将风扇置于冷凝器和散热器之间。研究表明：CFRM配置能驱动更多空气流过冷凝器和散热器，CFRM的空气流量较CRFM高16%[30]。但CFRM布置顺序怠速时容易引起前端空气回流。
　　4.材料多元化
　　目前，汽车热管理系统材料比较单一，散热器材料通常为铜、铝及铝合金，冷却介质主要是水和乙二醇的混合物。传统散热器的设计方法已经趋近极限，亟需一种全新的高效的冷却理念，实现冷却性能的极大改善。纳米流体作为散热器的冷却介质，冷却潜力巨大；石墨泡沫也是全新的热管理材料[31，32]。
　　1）纳米流体
　　纳米流体是一种新型的高效、高传热性能的工程传热流体，通过在传统传热流体（水、乙二醇混合物和机油）中分散纳米微粒形成。可有效提高热系统的传热性能，提高热系统的高效、低阻、紧凑等性能指标，满足热系统高负荷的传热冷却要求，满足一些特殊条件（微尺度条件）下的强化传热要求，在强化传热领域具有十分广阔的应用前景和潜在的重大经济价值。
　　纳米流体概念*先是由美国阿贡（Argonne）国家实验室的Choi等于1995年提出的。Choi等在流体中加入体积分数1%的Cu纳米微粒，流体热导率提高了40%；而加入1%体积分数的碳纳米管，流体的热导率即可以提高250%[31]。图1-3是不同纳米流体（金属微粒和氧化物微粒）热导率比值k/k0（k0为乙二醇热导率）和纳米微粒体积比的关系。其中，Cu微粒直径小，约为10nm，CuO和Al2O3微粒平均直径皆为35nm。
　　图1-3纳米流体热导率比值和纳米微粒体积比关系[31]
　　2）石墨泡沫
　　1997年，Klett等[33]在美国橡树岭（OakRidge）国家实验室开发出**种热导率超过40W/(m K)的石墨泡沫材料。石墨泡沫具有球形网状结构［图1-4（a）］，接触表面积＞4m2/g，密度为0.2～0.6g/cm3，传热性能优良，拥有较高的热扩散率以及优良的吸音和电磁屏蔽能力。石墨泡沫的热导率高达187W/(m K)，比传统碳泡沫［五角十二面体结构，图1-4（b）］高3～9倍，比金属铝泡沫高10倍[33]。将石墨泡沫作为全新的汽车热管理材料，可以使散热器的体积变得更小，降低发动机罩的高度，减小

目录
总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 热管理工程 1
1.1.1 电子设备的热管理 1
1.1.2 汽车热管理系统 2
1.1.3 混合动力装甲车的热管理 7
1.1.4 半导体器件的热管理 8
1.1.5 LED的热管理 10
1.2 低维高导热材料的应用潜力 13
1.2.1 低维纳米材料的热学性能 13
1.2.2 低维高导热材料的应用前景 15
1.3 热管理设计应用 15
1.3.1 新型电池热管理 16
1.3.2 大功率半导体激光器的散热 18
1.3.3 新能源汽车热管理 21
1.3.4 航天器热控技术 22
参考文献 25
第2章 低维材料传热性能测量 29
2.1 传热学基础 29
2.1.1 传导 30
2.1.2 对流 30
2.1.3 辐射 30
2.2 热导率的稳态法测试 31
2.2.1 各向同性固体热导率的稳态法测试 31
2.2.2 各向同性黏性液体、黏弹性体和弹性体的热导率稳态法测试 32
2.2.3 稳态法：拉曼法 34
2.3 热导率的非稳态法测试 35
2.3.1 激光闪射法 35
2.3.2 Angstrom法 37
参考文献 40
第3章 热管理模拟 42
3.1 热传导原理 42
3.1.1 傅里叶定律 42
3.1.2 非傅里叶传热 42
3.1.3 低维传导现象 47
3.2 热传导数值计算方法 48
3.2.1 声子输运 48
3.2.2 有限元分析 53
3.2.3 蒙特卡罗模拟 55
3.3 低维热传导有关计算 56
3.3.1 固相热界面体系 56
3.3.2 固相多孔介质体系 58
3.3.3 微观固液体系 63
3.4 热系统器件的热管理建模 68
3.4.1 宏观与介观器件 69
3.4.2 系统网络模型 71
3.4.3 系统疲劳与失效 74
3.5 热管理模拟应用实例 76
参考文献 79
第4章 低维高导热碳材料：石墨烯、碳纳米管、泡沫碳 85
4.1 石墨烯的导热性能及其应用 86
4.1.1 石墨烯制备的主要方法 88
4.1.2 石墨烯导热薄膜的制备工艺与导热性能 95
4.1.3 石墨烯薄膜在散热领域中的应用 98
4.2 碳纳米管的导热性能与应用 104
4.2.1 碳纳米管的结构 104
4.2.2 碳纳米管的热学性能 105
4.2.3 碳纳米管在热管理领域中的应用 111
4.3 泡沫碳的制备与热管理应用 116
4.3.1 泡沫碳的制备 118
4.3.2 泡沫碳的导热性能 125
4.3.3 泡沫碳在热管理领域中的应用 133
参考文献 140
第5章 人造金刚石薄膜、类金刚石碳膜 148
5.1 人造金刚石薄膜的制备与性能 150
5.1.1 人造金刚石薄膜的制备 150
5.1.2 人造金刚石薄膜的性能 160
5.2 类金刚石碳膜的制备与性能 161
5.2.1 类金刚石碳膜的制备方法 162
5.2.2 类金刚石碳膜的生长机理 166
5.2.3 类金刚石碳膜的性能 166
5.3 导热应用 169
5.3.1 人造金刚石薄膜的导热应用 169
5.3.2 类金刚石碳膜的导热应用 170
参考文献 174
第6章 纳米氧化物、碳化物与氮化物导热材料 181
6.1 主流导热粉体填料 182
6.1.1 氧化铝 182
6.1.2 碳化硅 185
6.1.3 氮化硅 186
6.1.4 氮化铝 190
6.1.5 氮化硼 193
6.2 影响复合材料热导率的因素 198
6.2.1 填充率 198
6.2.2 形貌 200
6.2.3 粒度级配 203
6.2.4 偶联剂 205
参考文献 207
第7章 相变储能材料及其应用 212
7.1 相变储能原理 213
7.2 纳米相变储能材料 214
7.2.1 无机纳米相变储能材料 214
7.2.2 有机纳米相变储能材料 216
7.2.3 复合纳米相变储能材料 217
7.2.4 碳基纳米相变储能材料 218
7.3 液态金属 223
7.3.1 液态金属及其性能 223
7.3.2 液态金属热界面材料 225
7.3.3 液态金属相变材料 225
7.3.4 液态金属先进热控与能源技术 226
7.4 相变储能应用 227
7.4.1 太阳能热利用 227
7.4.2 航天热控 228
7.4.3 建筑节能 229
7.4.4 工业余热回收 230
7.4.5 电池热管理 231
7.4.6 医学领域 233
7.4.7 智能调温纺织品 234
参考文献 236
第8章 电子封装与热管理工程 242
8.1 面向半导体封装应用的热界面材料与零部件 242
8.1.1 热界面材料 242
8.1.2 热管理的零部件 245
8.2 集成电路封装及其发展趋势 251
8.2.1 集成电路简介 251
8.2.2 半导体制造工艺流程 252
8.2.3 集成电路封装工程 252
8.2.4 芯片电学互连 253
8.2.5 半导体的典型封装工艺 255
8.3 先进封装 257
8.3.1 先进封装的要素 258
8.3.2 先进封装与SiP的异同 260
8.3.3 先进封装技术 260
8.4 LED封装 283
8.4.1 引言 283
8.4.2 LED封装的基本原理与发展趋势 286
8.4.3 大功率LED封装模块的热管理 290
8.4.4 LED封装应用设计 295
参考文献 296
第9章 碳基芯片界面传热材料与技术 301
9.1 大功率芯片封装及界面传热架构设计 301
9.1.1 大功率芯片封装/散热架构分析 301
9.1.2 热界面材料基本概念 302
9.1.3 大功率芯片封装用热界面材料发展现状 303
9.2 碳基热界面材料制备工艺及性能 304
9.2.1 随机共混结构 304
9.2.2 搭接型三维结构 307
9.2.3 连续型三维结构 310
9.2.4 高顺向垂直排列结构 312
9.2.5 三维结构表面修饰 320
9.3 碳基热界面材料在芯片热控领域的机遇与挑战 322
参考文献 324
第10章 消费电子产品热管理技术 329
10.1 智能手机等消费电子产品的热管理 329
10.1.1 智能手机散热的紧迫性 331
10.1.2 智能手机热设计的主要挑战 332
10.1.3 消费电子产品热管理理念：稳态散热设计和瞬态散热设计 334
10.1.4 立体散热设计与散热元件 338
10.2 低维碳材料在消费电子产品热管理中的应用 339
10.2.1 石墨导热膜 339
10.2.2 VC均热板中的低维碳材料 349
参考文献 353
关键词索引 357