Исследование влияния углеродных нанотрубок на теплопроводные свойства термопаст

DOI:

В последнее время в области электроники и микроэлектроники стали широко применяться углеродные нанотрубки (УНТ) благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. Одной из областей, где УНТ могут быть применены, является теплопроводность. В данной статье рассмотрено влияние УНТ на теплопроводные свойства термопаст [1; 2; 4–6].

Термопасты – это материалы, которые применяются для улучшения теплопроводности между двумя поверхностями, например, между процессором и радиатором в персональном компьютере. Хорошая термопаста должна обеспечивать хорошую теплопроводность, быть стабильной в различных условиях эксплуатации и не иметь токсичных компонентов.

Углеродные нанотрубки обладают высокой теплопроводностью, что делает их потенциально привлекательными для применения в качестве добавок в термопасты. Несмотря на это, вопрос о том, как УНТ влияют на теплопроводность термопаст, до сих пор остается открытым [3].

В этом исследовании было проведено экспериментальное исследование теплопроводности термопаст с добавками УНТ. В эксперименте использовалась термопаста КПТ-8

плотностью 2,6 г/см2 и теплопроводностью 0.7 Вт/мК ввиду хорошего соотношения цена/ качество/количество. Термопаста была нанесена на алюминиевый блок пластиковым шпателем, толщина слоя на каждом из радиаторов зависела от разницы в высоте между самой высокой и самой низкой точки, а именно 0,06–0,08 мм. Тепловой поток был измерен при комнатной температуре.

Центральные процессоры, на которых проводились тестирования:

• 1)    Intel(R) Core(TM) i3-2120 CPU @ 3.30GHz; TDP 65W;

• 2)    Pentium(R) Dual Core E6800 @ 3.30GHz; TDP 65W.

Условия тестирования:

• 1)    замеры температуры производились в программе AIDA64 с настройками, показанными на рисунке 1;

• 2)    время нагрузки на процессор – 15 минут;

• 3)    между тестами разных образцов процессор остывал в течение 10 минут;

• 4)    температура фиксировалась в начале тестирования, спустя 3 минуты, 5 минут, 10 и 15 минут;

• 5)    частота процессора и обороты вентилятора в процессе тестирования не изменялись.

Для установления оптимальной концентрации УНТ брались в следующих концентра-

• □    0 Stress CPU

El 0 Stress FPU

• ■    0 Stress cache

И 0 Stress system memory _ □ Stress local disks

• - ^ □ Stress GPU(s)

Рис. 1. Настройки программы, при которых проводились замеры температуры при тестировании процессоров циях для образцов весом в 1 грамм (данные обозначения также указаны на рисунках 2–3):

• 1)    Конц₀ – термопаста без добавления УНТ;

• 2)    Конц₁ – термопаста с добавлением 0,05 % УНТ;

• 3)    Конц₂ – термопаста с добавлением 0,1 % УНТ;

• 4)    Конц₃ – термопаста с добавлением 0,5 % УНТ.

Углеродные нанотрубки механически перемешивались в объеме термопасты. Во всех случаях, кроме концентрации 3, наблюдалось равномерное распределение УНТ (рис. 2).

Результаты исследования показали, что термопаста с добавками УНТ имеет более высокую теплопроводность, чем термопаста без добавок. Это говорит о том, что УНТ могут быть эффективно использованы в качестве добавок для улучшения теплопроводности термопаст. На графиках (рис. 3 и рис. 4) видно, что термопасты с концентрациями 0,05 % и 0,1 % стабильнее справляются с распределением и отведением тепла.

Рис. 2. Зоны группировки УНТ (Конц3) при нанесении термопасты на кулер

Рис. 3. График изменения температуры в течение заданного времени процессора Intel(R) Core(TM) i3-2120 CPU @ 3.30GHz TDP 65W при нанесении термопасты с различной концентрацией УНТ

циях для образцов весом в 1 грамм (данные обозначения также указаны на рисунках 2–3):

• 1)    Конц₀ – термопаста без добавления УНТ;

• 2)    Конц₁ – термопаста с добавлением 0,05 % УНТ;

• 3)    Конц₂ – термопаста с добавлением 0,1 % УНТ;

• 4)    Конц₃ – термопаста с добавлением 0,5 % УНТ.

Углеродные нанотрубки механически перемешивались в объеме термопасты. Во всех случаях, кроме концентрации 3, наблюдалось равномерное распределение УНТ (рис. 2).

Результаты исследования показали, что термопаста с добавками УНТ имеет более высокую теплопроводность, чем термопаста без добавок. Это говорит о том, что УНТ могут быть эффективно использованы в качестве добавок для улучшения теплопроводности термопаст. На графиках (рис. 3 и рис. 4) видно, что термопасты с концентрациями 0,05 % и 0,1 % стабильнее справляются с распределением и отведением тепла.

Рис. 2. Зоны группировки УНТ (Конц3) при нанесении термопасты на кулер

Рис. 3. График изменения температуры в течение заданного времени процессора Intel(R) Core(TM) i3-2120 CPU @ 3.30GHz TDP 65W при нанесении термопасты с различной концентрацией УНТ

• 6. Thermal Transport Measurements of Individual Multiwalled Nanotubes / P. Kim, L. Shi, A. Majumdar, P. L. McEuen // Phys. Rev. Lett. – 2001. – № 87. – P. 215–502.