摘要
随着电子设备逐渐朝着高性能化和小型化方向高速发展，电子元件安装空间被限制的同时，也需要充分发挥性能作用。这样一来，高性能的芯片进行高速运算，在紧凑狭小的空间里产生了大量的热，散热过程面临新的挑战。为了匹配电子产品的散热需求，需要一种具有高热传导、低膨胀性能的新材料。金属铝具有较高的热导率，是一种常用的电子封装材料，但是其热膨胀系数较大，在温度变化时容易产生热应力，从而导致故障。因此，具有高热导和负热膨胀特性的石墨烯成为铝的理想增强体。目前，国内外对石墨烯/铝基复合材料的研究，大部分是通过实验的手段制备得到具有优异性能的复合材料，而对其微观结构的影响机理研究甚少。 本文基于有限元法，利用有限元软件ABAQUS建立了微观尺度的石墨烯纳米片/铝基复合材料三维模型，深入研究了复合材料的热传导以及热膨胀特性。导热性能方面，探讨了石墨烯纳米片的形状、长径比、几何构型和体积分数对复合材料热传导性能的影响。结果表明，石墨烯纳米片的形状对热导率的影响不大。而在一定范围增大长径比，可以有效的改善复合材料的导热性能。此外，由于石墨烯纳米片构型的复杂性，复合材料的热传导性能也受到了一定的影响。复合材料中的石墨烯纳米片呈层状分布时热导率最高，随机分布构型最小。通过研究石墨烯纳米片排列方向对复合材料热流密度的影响机理，发现石墨烯纳米片排列方向与其本身的热流密度相关，石墨烯纳米片排列方向与温度载荷方向夹角越大，石墨烯纳米片的热流密度就越小，从而复合材料热导率也越小。另外，石墨烯纳米片的体积分数比对其复合材料的热传导特性也产生了一定的影响，较低的体积分数下，两者几乎呈线性相关。 热膨胀性能方面，同样分析了石墨烯纳米片形状、长径比、几何构型和体积分数比对复合材料热膨胀系数的影响。结果表明，复合材料的热膨胀系数受石墨烯纳米片的形状影响较小，长径比对热膨胀系数的影响也较小。石墨烯纳米片几何构型对热膨胀有一定的影响。复合材料热膨胀系数在石墨烯纳米片呈集聚分布时最小，呈网状或者随机分布时热膨胀系数最大。利用相似的方法捕捉点路径上的应变，说明石墨烯纳米片排列方向会影响附近区域的应变。石墨烯纳米片排列方向与膨胀方向的夹角越大，附近区域应变越大，就说明对此区域热膨胀的抑制作用就越小。另外，随着石墨烯纳米片占比增加，复合材料热膨胀系数减小。 通过将部分模拟结果与文献实验结果的对比，验证了三维石墨烯纳米片/铝基复合材料有限元模型对复合材料热导率和热膨胀系数预测的合理性和准确性。各部分研究获得的结论具有一定的参考价值，为设计和优化复合材料微观结构奠定了理论基础。
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