摘要：热管由于其优良的导热性能，应用场合越来越广泛。为了增强热管散热器性能，将石墨烯与烧结式热管散热器结合，搭建涂覆石墨烯的热管散热器散热实验平台，并建立相应的仿真模型，分析不同电源输入功率情况下，热管散热器散热效果。研究结果表明:在热管散热器上涂覆石墨烯能显著增强热管散热器的散热性能。当电源输入功率．4W，与普通热管散热器相比，被加热物体的稳定温度下降了15．6%。

关键词：石墨烯;热管;散热器;Ansys仿真

开关器件是电源最核心的器件，其工作温度水平影响着电源质量。随着电源的高频化、小型化、大功率化，开关器件的散热要求也随之提高。目前，大功率高频开关器件散热主要是水冷方式，此种方式需要水箱，限制了电源轻量化和小型化发展。热管作为当下导热性能较好的传热器件，随着价格的亲民化，已逐渐从航天、航空领域应用到开关器件散热领域。它是利用蓄热介质毛细力循环作用的一种换热器件，传递的热量和速度比银、铜等金属大几百倍。

目前，国内外对于热管散热器性能增强的研究主要从热管的等温性、结构、内部工质、重力、充液率等方面进行。随着具有超高导热率石墨烯材料出现，一些国内外科研人员将石墨烯应用于导热散热领域。周赟磊等人提出了一种新型的微通道散热器，并且在传热板的下表面覆加了具有超高热导率的石墨烯层，改善了散热器效果。KungF等人将石墨烯纳米颗粒共混到环氧聚酯粉末中涂抹在铝板上，发现具有高发射率的石墨烯薄层可以改善金属基板的散热性能。LiuY等人提出来一种石墨烯增强热管，实验热管长度分别是90，，mm，该热管是由具有纳米结构增强内表面的高导热石墨烯组装膜制成，研究结果表明，该热管的散热能力显著提高。LiXF等人为石墨烯金属基质复合材料建造了一条新的电子导热路线，在℃下，导热率可达W/(m·K)。王亚钦等人进行了常用油漆和石墨烯油漆的变压器温升试验，发现石墨烯油漆涂层片与常用油漆涂层片散热效率基本一致。

但是，将石墨烯用于改进热管散热器性能的文献很少，本文搭建相应的实验平台和仿真模型，研究不同功率下，石墨烯涂层对热管散热器散热性能的影响，具有一定的意义。

1散热原理:热管分为3段，蒸发段、绝热段、冷凝段，当热量进入热管的蒸发段时，吸液芯的液体受热汽化，蒸汽在微小的压力差下向冷凝段运动，并释放出热量，重新凝结成液体，冷凝液体在吸液芯的毛细力作用下流回到蒸发段再次进行吸热汽化。利用液汽相变，实现高效的传热和导热。热管涂覆石墨烯后有两个主要的散热途径，一个是石墨烯涂层传导的热量，另外一个是相变传导热量，总传热记为Q，如式(1)所示：

式中QC为石墨烯涂层传导的热量，QP为相变传导的热量。

根据热传导理论，石墨烯涂层传导的热量如式(2)所示：

式中ΔT为冷端与热端温度差，A为热管横截面积，L为热管长度，λ为石墨烯涂层导热系数。在热管结构参数不变的条件下，涂覆导热系数高达W/(m·K)石墨烯后，由式(2)可以看出石墨烯可以增强热管导热性能，使热量从蒸发段向冷凝器段快速传递。

实验分析：

2.1实验装置:实验装置如图1所示，由恒流源、风扇、石墨烯、温度测控仪和热管散热器、被加热金属板组成。恒流源可调电流范围0．5～2A。风扇风速r/min，风量1．m/min。

图1实验装置

图2表明，以一定的功率给物体加热，被加热物体的温度随时间的增加而增加，当加热和散热处于热平衡后，物体表面温度保持稳定。热管散热器翅片涂覆石墨烯后物体稳定温度如表1所示，当电源输入功率为46．7，70．3，．8，．4W时，相比普通热管散热器，物体温度下降了3．2%，4．7%，5．4%，4．8%。结果表明:热管翅片涂覆石墨烯材料可以提升热管散热器的散热性能。

图2翅片改进前后物体温度

温度采集器MIK—ＲT可测温度范围－20～℃，测量精度0．5℃。热管为L型烧结式热管，直径8mm，长度分别为，mm，充液率为50%。石墨烯涂料为径粒7～10μm，径厚比20的液体。

2.2实验方法:实验前，将石墨烯液体均匀涂覆在热管散热器的绝热段、翅片上，并用80℃恒温源烘干。物体安装热管散热器前，将导热硅脂均匀涂覆在物体和热管散热器基座接触面，保证物体与热管充分接触，热管散热器冷凝段采用风冷散热。实验采用恒流源给物体加热，通过调节恒流源电流大小实现不同的加热功率。分析不同功率下，被加热物体采用普通热管散热器和改进后热管散热器物体温度变化规律。为了保证实验数据的准确性，每次实验室温26℃，每两次实验之间，保证热管和被加热物体完全冷却，同一个实验重复测量20次，取温度平均值作为最终实际温度。实验设置电源输出功率分别46．7，70．3，．8，．4W。

3实验结果

3.1翅片涂覆石墨烯对散热性能的影响:在热管散热器翅片上涂覆石墨烯，分析电源输出功率分别为46．7，70．3，．8，．4W时，被加热物体的温度变化情况，如图2所示。

3.2绝热段涂覆石墨烯对热管散热器性能的影响;在热管散热器的绝热段上涂覆石墨烯，研究不同电源输入功率下，被加热物体的温度变化曲线，结果如图3所示。

图3不同电源功率下，绝热段改进前后物体表面温度

图3表明，在相同电源输入功率条件下，绝热段涂敷石墨烯的热管散热器散热效果优于普通热管散热器。

热管散热器绝热涂覆石墨烯后物体稳定温度如表2所示，当电源输入功率分别为46．7，70．3，．8，．4W时，相比普通热管散热器，物体稳定温度分别下降了4．3%、12．3%、9．4%、12．6%。绝热段涂覆石墨烯相较于翅片涂覆石墨烯，被加热物体的温度均有一定的下降，表明:石墨烯涂覆在绝热段的效果优于涂覆在翅片上效果。

表2绝热段涂覆石墨烯前后物体稳定温度

3.3全涂覆石墨烯对热管散热器对性能的影响:在热管散热器的翅片和绝热段同时涂覆石墨烯，研究不同输入功率下，被加热物体的温度变化规律，结果如图4所示。

图4全涂覆改进前后物体表面温度

图4表明，在相同的电源输入功率条件下，全涂覆石墨烯的热管散热器散热效果优于普通热管散热器。热管散热器全涂覆石墨烯物体稳定温度如表3所示，当电源输入功率为46．7，70．3，．8，．4W时，相比普通热管散热器，物体稳定温度下降了7．4%、16．1%、11．9%、15．6%。以电源输入功率70．3W为例，热管散热器全涂敷石墨烯相较于绝热段和翅片涂覆，物体温度分别下降了3．8%、11．4%。结果表明:相较于翅片、绝热段分别涂覆石墨烯，全涂覆后，物体稳定温度下降最为明显，全涂覆后的热管散热器散热效果最优。

表3全涂覆石墨烯物体稳定温度

4有限元仿真分析:在SolidWorks中建立mm普通热管散热器及绝热段涂覆石墨烯热管散热器改进模型，使用ICEM进行网格划分，生成可进行有限元计算的网格模型，并设定热传导为基本求解模型，对流传热系数为25W/(m2·K)，最后利用Ansys-Workbench中的稳态热模块进行热分析。物体表面温度如图5所示。

图5改进前后物体表面温度分布云图

当热通量10W/m2时，对比图5(a)和图5(b)，改进后的物体平均稳定温度相较改进前下降了7．39℃，当热通量20W/m2时，对比图5(c)和图5(d)，改进后的物体平均温度相较改进前下降了14．65℃。不同热通量下，改进前后物体稳定平均温度如表4所示。

表4不同热通量下前后物体稳定温度

表4结果表明，涂覆石墨烯后热管散热器散热效率显著提高，验证了实验结果的正确性。

5结论本文研究了石墨烯涂层对热管散热器散热性能的影响，通过实验得出以下结论:

1)石墨烯涂层能够提高热管散热器的散热效率。

2)石墨烯涂覆在热管散热器不同的位置，有不同的散热效果。在绝热段涂覆石墨烯散热效果优于翅片涂覆石墨烯，全涂覆效果最佳。

3)在相同电源功率下，采用表面涂覆石墨烯的热管散热器，有更好的散热效果，用较小体积热管散热器实现大的散热效果，为电源的小型化提供了参考依据。