垂向碳纳米管阵列的界面粘附力学与传热性能的应用研究

碳纳米管阵列(CarbonNanotubeArrays)是一种以碳纳米管为单元,在垂直于基底方向上平行排列形成的一种黑色薄膜状固体材料。碳纳米管发现的二、三十年间,其特殊的一维结构与优异特性获得了广泛的研究报道。碳纳米管阵列有着特殊的结构形态,能将一维碳纳米管的优异微纳特性集中体现在宏观的阵列材料中。由于其拥有特殊的力学与传热性质,碳纳米管阵列在仿生粘附以及热界面材料等方面的应用具有巨大的潜力。目前,碳纳米管阵列的研究已取得许多成果,但不少研究结果仍众说纷纭,表现出来的,工程应用还亟待突破关键科学问题,其中关键的力学行为和传热性能仍需要更深入的探索。鉴于此,本文考察了碳纳米管阵列的制备生长方法,分析了碳纳米管阵列的垂向压缩力学特性,测试和揭示了碳纳米管阵列仿生粘附特性及其机理,发展了基于碳纳米管阵列的柔性基底热界面材料和适用于振动器件的热界面材料。本文的工作连接了碳纳米管阵列在力学和传热两个领域之间的应用,并为碳纳米管阵列开拓了新的工程应用前景。主要研究内容和结论如下:首先,考察了碳纳米管阵列的制备方法,研究了碳纳米管阵列的垂向压缩力学行为。搭建了用于制备碳纳米管阵列的化学气相沉积系统,分析总结了制备碳纳米管阵列的合适气体组分和氛围。制备不同阵列高度与密度的碳纳米管阵列,结合光刻图形化的手段,制备不同尺寸碳纳米管簇的微柱阵列。对上述不同特性碳纳米管阵列进行了垂向压缩实验,得到垂向压缩力学特性。结果表明不同碳纳米管阵列的压缩力学特性存在一定的差异性。高阵列密度的碳纳米管阵列表现出明显的超弹性特性,而低密度的阵列表现出塑性的特性。阵列高度以及图形化阵列簇的尺寸对压缩力学特性也有一定的影响。其次,对碳纳米管阵列的仿壁虎爪粘附特性进行了研究,着重比较分析了预压力的大小,保载时间和材料的表面性质等对粘附特性的影响,探究了黏附作用的耐久性和重复性。同时,结合碳纳米管阵列的垂向压缩力学行为,分析总结了粘附力形成的原因。粘附力大小与碳纳米管受压变形之间存在密切关系,碳纳米管的形变与侧边接触是粘附力形成的主要原因。预压力的加载使得碳纳米管阵列屈服变形,应变越大,碳纳米管与接触表面的实际接触面积越大,根据范德华力的作用原理,能产生更大的粘附力。同时,本文发展了非接触式瞬态光热反射技术的方法应用于薄膜材料热导率的测量,给出了相应的数学模型,利用多参数拟合方法得出薄膜的热导率与界面传热系数。应用该方法测量了柔性基体碳纳米管阵列样品的热物性参数。最后,研究了碳纳米管阵列作为热界面材料在振动器件表面的力学响应与散热特性。以典型的压电变压器为例,比较了三种不同散热装置情况下的工作特性,包括温升、功率传递效率与器件功率密度之间的关系。结果显示配备碳纳米管阵列的热界面材料,压电变压器获得更低的温升与更高的功率传递效率。同时利用光热反射技术对碳纳米管阵列在压电变压器界面的热物性参数进行了测量,得出热导率高于传统的聚合物材料的结论。另外,研究结果表明碳纳米管阵列减少了振动器件表面电极在接触散热时候的微动摩擦损耗。配备有碳纳米管阵列的压电变压器经过120天的连续工作测验,器件的表面电极无明显的磨损,大大提高的器件的寿命。同时对于碳纳米管阵列抗磨损特性进行了一定的力学分析。