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基于数值分析的铝基夹层碳纤维复合材料的导热性能研究

基于数值分析的铝基夹层碳纤维复合材料的导热性能研究

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作者：颜祯广西大学

学位级别：硕士

随着LED的集成化发展,散热问题成为大功率LED发展不容忽视的技术瓶颈。基板作为散热通道的关键部件,影响着热量向散热器传递的效率。目前市场上主流的均质铝合金基板,其热导率已不足以满足大功率LED灯的散热需求。金属基高导热有序复合... 详细信息

随着LED的集成化发展,散热问题成为大功率LED发展不容忽视的技术瓶颈。基板作为散热通道的关键部件,影响着热量向散热器传递的效率。目前市场上主流的均质铝合金基板,其热导率已不足以满足大功率LED灯的散热需求。金属基高导热有序复合材料可设计性强、性价比高,是高导热材料发展的重要方向。由于沥青基碳纤维具有很高的热导率,碳纤维金属基复合材料拥有相比均质金属更高的导热性,同时具备满足性能要求的强度。因此,分析以铝基夹层碳纤维(铜基)复合材料的结构设计来提高基板导热性能,对提高LED灯的被动散热能力具有一定的现实意义。本文通过芯层碳纤维铜基复合材料的细观模型分析为切入点,对铝基有序复合板的宏观模型进行数值模拟,预测了铝基夹层碳纤维复合材料的导热性能,最后,对设计材料的应用进行了初步的使用评价。(1)为获得宏观模型中关键的芯层碳纤维铜基复合材料的热导率参数,其纵向等效热导率由混合准则得到,而横向等效热导率则通过对代表性体积单元模型进行数值模拟(FEM)预测。为了进一步了解碳纤维对复合材料横向导热的影响,还探究了碳纤维的横向热导率、周期性分布结构、直径对复合材料横向导热的影响。结果表明:横向纹理结构为放射状相比结构为同心圆状的碳纤维对界面热障更敏感,但更有利于提高复合材料的横向导热性能;碳纤维的径向热导率对复合材料横向导热起主要作用,大的碳纤维直径和相邻纤维间距有利于复合材料横向导热,分析结果对碳纤维复合材料的制备具有一定指导意义。(2)基于碳纤维铜基复合材料横向等效热导率的FEM结果,验算了假设碳纤维横向上各向同性的Hatta模型在无界面热障时有很好的吻合度;对Hatta模型进行改进,拟合得到了有较高准确性且更适用于考虑碳纤维各向异性和界面热障的碳纤维复合材料横向导热理论模型。(3)基于复合板等效热导率的FEM结果,验算了引入Hatta模型和改进模型的平板导热模型对复合板有较高的准确性,分析了芯层的碳纤维体积分数V以及厚度比H的影响,为提高复合板的导热性能提供了设计依据。选取横向纹理结构为放射状的碳纤维、增大芯层厚度更有利于提高复合板厚度方向的热导率,且界面结合较好时,H=0.6的复合板等效热导率在非厚度方向可达257～330 W/m K(平行纤维轴向)、243～257 W/m K(垂直纤维轴向),在厚度方向可达176～180W/m K,相比热导率为103.45 W/m K的ADC12铝合金基板在厚度方向的热导率提高了70%以上。(4)结合数值研究的结果,将复合板应用于具体的散热结构中进行热仿真对比分析。在相同的热模型尺寸以及单芯片输入功率下,复合板热模型的芯片最高温度均比铝基板热模型低,V=60%、H=2/3的复合板热模型散热效果接近于铜基板热模型,重量比铝基板增加了53.7%,比铜基板减少了53.5%;对H=2/3的复合板热模型在保持与原铝基板相同重量的前提下缩减尺寸,相同单芯片输入功率下的散热效果仍高于铝基板的热模型,表明了铝基夹层碳纤维复合材料应用的可期待性。

关键词：铝基有序复合板芯层碳纤维复合材料等效热导率 LED灯

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