[發明專利]一種基于石墨烯膜的高效輕質柔性導熱鏈的優化設計方法

有效

• 申請號: 202110239775.4
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN112949064B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 高超;周吉;劉英軍;劉志敏;許震;王振營;何廣騰
• 申請（專利權）人: 浙江大學;北京空間機電研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/02;G06F119/08
• 代理公司: 杭州華宸聯名知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33352
• 代理人: 黃歡娣

本發明公開了一種導熱鏈優化設計方法，涉及基于石墨烯宏觀組裝膜的高效輕質柔性導熱鏈優化設計方法領域，所述導熱鏈包括由多個石墨烯層構成的石墨烯膜和位于所述石墨烯層間的法向導熱層；所述導熱鏈兩端分別為冷端和熱端，且所述法向導熱層位于所述冷端和熱端。采用本專利中的方案，可以實現導熱鏈的輕質、高柔性和高導熱性，同時實現有效隔振，能夠實現空間制冷系統的輕量化、高效率、易實施和高可靠性。

技術領域

本發明涉及一種導熱鏈優化設計方法，特別指一種基于石墨烯宏觀組裝膜的高效輕質柔性導熱鏈的優化設計方法。

背景技術

導熱鏈經常用于空間相機焦面與制冷機冷指之間傳熱，或用于熱源和輻射散熱面之間傳熱。目前冷鏈(也叫導熱鏈)材料主要以碳基冷鏈和金屬基冷鏈為主，金屬材料的密度大，導熱系數較低(銀、銅、鋁的常溫熱導率分別僅有430W/mK、400W/mK、238W/mK)，高密度、高剛度、低導熱率的金屬材料很難滿足高導熱效率、輕質高柔性的應用需求。

熱裂解石墨膜和壓延膜也用于制備導熱鏈，一般應用在150K以上溫區的空間熱管理。在熱裂解石墨膜中，高度取向的石墨晶體及共價交聯結構造成了其柔性與導熱性能難以兼容的矛盾。同時，其熱裂解產生的石墨晶體單元的微小尺寸也是碳化膜導熱難以突破的原理性難題。膨脹石墨壓延膜是將石墨粉體通過壓延成型制備的晶體粉末材料。壓延膜過程中難以控制的晶體邊緣解理面缺陷直接造成其導熱率僅有600W/mk、嚴重的結構不穩定(容易掉渣掉粉)和脆性，難以適應空間應用中的柔性高導熱材料的性能需求。

我國是世界上優質石墨儲量和產量最大的國家。擁有制備石墨烯膜的豐富的原材料。在柔性冷鏈航天化應用方面，國內外研究雖存在一定差距，但差距不大。國外石墨片、石墨壓延膜均已獲得航天應用，冷鏈制備工藝也較成熟。但石墨烯膜冷鏈的相關工作目前尚未見公開報道。本發明通過研制一款新型石墨烯膜柔性導熱鏈，有效的解決了普通導熱鏈輕質、高柔性、高導熱性難以兼容的問題，同時有利于實現三維隨形布置。大大節省對空間的應用需求。對于遙感相機減重，制冷系統性能提升有著重要的意義。

傳統金屬基冷鏈或熱管首先重量重、剛度高，而金屬基冷鏈在60K-220K 溫區的熱導率通常較低，不到400W/mK，而目前的熱管技術很難覆蓋常溫至深低溫區，且柔性與石墨烯膜冷鏈也有較大差距，難以適用減振需要。該研究成果在航天器高效熱控、減重、減振和能源高效利用等領域有廣泛的應用。

為了實現石墨烯膜冷鏈高導熱性、輕量化和超柔性兼容性設計，需要對冷鏈整體結構開展優化設計。因此，設計一種基于石墨烯宏觀組裝膜的高效輕質柔性導熱鏈的優化設計方法，以適應航天應用的需要。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種基于石墨烯宏觀組裝膜的高效輕質柔性導熱鏈的優化設計方法，解決快速設計高效導熱、隔振石墨烯膜導熱鏈的問題。

本發明的技術方案如下：

一種基于石墨烯宏觀組裝膜的高效輕質柔性導熱鏈的優化設計方法，導熱鏈至少包括由多個厚度為X₁的石墨烯層構成的石墨烯膜，10μm≤X₁≤100μm；石墨烯膜最薄處的厚度為X₂，X₂≤15mm；石墨烯膜的兩端具有法向導熱層，構成導熱鏈的冷端和熱端，法向導熱層位于石墨烯層層間；冷端和熱端之間為冷鏈自由段；冷鏈自由段長度L_Z為5cm-50cm；石墨烯膜長度L大于冷端和熱端之間的距離的103％；該方法包括：采集設計目標，根據設計目標對導熱鏈的各項參數進行優化，設計目標包括：石墨烯膜最窄處的寬度Z(單位：m)、綜合熱導率Y₂(單位：W/m·K)、熱通量Q(單位W)、減振效率C；

導熱鏈的優化參數為：單個石墨烯層的厚度X₁(單位：μm)、石墨烯膜最薄處的厚度X₂(單位:mm)、石墨烯膜長度L(單位：m)、冷鏈自由段總長L_Z (單位：cm)，冷端和熱端之間的距離d(單位：m)，具體為：