多尺度独立式垂直排列碳纳米管（VACNT）散热器：基于传导、对流与辐射协同的多模态被动热管理

《Advanced Science》：Multiscale Freestanding Vertically Aligned CNT Heat Sink Enabling Multimodal Heat Dissipation by Conduction, Convection, and Radiation

　　

研究人员提出了一种基于垂直排列碳纳米管（VACNT）的独立式散热器，用于电子与半导体器件的被动多模态热管理。该VACNT通过轴向传导、纳米多孔形貌促进的对流以及优异发射率（emissivity）驱动的辐射实现多模态散热。传统金属散热器表面发射率较低，需复杂后处理以增强辐射冷却；而该VACNT凭借本征多尺度结构层级，无需二次表面修饰即可突破上述限制。研究人员采用激光闪射法（LFA）与差示扫描量热法（DSC）表征了高度为500至1500 μm的独立式VACNT，其热导率为32至40 W/m·K。在Raspberry Pi Zero 2 W平台上，1500 μm高VACNT散热器相较裸CPU使峰值CPU温度降低10.7°C；通过构型化图案设计进一步增加表面积后，其峰值CPU温度较常规铝制散热器低6.7°C。循环稳定性测试表明其重复使用时热性能一致。该VACNT可通过模压、卷曲、裁剪与拼贴等方式灵活构型，展现出面向多样热管理应用的通用性。

研究背景与总体解读

随着高性能计算与人工智能技术快速发展，电子与半导体器件发热密度显著上升，热管理已成为制约器件性能、可靠性与寿命的关键瓶颈。传统高导热金属散热器以铜（约400 W/m·K）和铝（约200 W/m·K）为主，成熟可控，但其抛光表面发射率极低（铜约0.03，铝约0.05），辐射散热受限，通常需额外后处理才能增强辐射冷却。与此同时，下一代电子系统对同时具备传导、对流与辐射能力的多模态散热材料需求日益迫切。

垂直排列碳纳米管（VACNT，vertically aligned carbon nanotube）因轴向极高本征热导率、纳米多孔形貌与大比表面积受到关注。其纳米孔隙结构天然带来约0.98的高发射率，且无需表面修饰即可兼顾传导、对流与辐射。然而，VACNT作为独立式散热器长期受限于两个难题：一是从生长基底可控剥离时易损伤结构；二是转移后保持垂直排列与纳米孔隙完整性的难度大。针对这些空白，研究人员在《Advanced Science》报道了一种通过催化层氧化实现自支撑剥离的多尺度VACNT散热器，系统表征其热学性质，并在树莓派平台验证多模态散热性能。

主要关键技术方法

研究人员采用化学气相沉积（CVD）在SiO?基底上以Fe/Al?O?催化层生长VACNT，并通过控制乙烯供气时间获得100至1500 μm不同高度；利用Ar/空气氛围中600°C催化层氧化实现无基底自支撑剥离。热学表征方面，以激光闪射法（LFA）测纵向热扩散系数，以差示扫描量热法（DSC）测比热容，结合密度计算热导率，并以拉曼光谱评估结晶质量。器件验证以Raspberry Pi Zero 2 W为热源，经热界面材料（TIM）贴装VACNT，在全负载下监测CPU温度与红外热像；进一步通过3D打印模具压印鳍片阵列构型，并与商用铝散热器及阳极氧化铝对比，辅以Cu溅射覆盖实验与不同纳米孔隙率样品验证辐射与孔隙贡献，最后进行50次热循环稳定性测试。

研究结果

2.1 制备流程与结构特性

研究人员通过CVD生长VACNT，并以催化层界面选择性氧化削弱黏附，实现自支撑剥离。剥离后VACNT保持毫米级高度与纳米多孔垂直结构，截面SEM确认孔隙完好。该结构同时提供轴向导热通路、大表面积与高发射率，区别于以往仅作薄TIM或聚合物复合 filler 的思路。

2.2 独立式VACNT热学性质

LFA与DSC测试显示，500、1000、1500 μm样品热导率分别为40、37、32 W/m·K。拉曼G/D比随高度由1.75降至1.53，说明生长时间延长带来催化失活与缺陷累积，增强声子散射。尽管轴向热导率略降，32–40 W/m·K仍足以支撑散热器应用，且与纳米多孔高发射率形成互补。

2.3 VACNT散热器热性能

在树莓派全负载测试中，100、500、1000、1500 μm VACNT稳态CPU温度依次为77.4、76.3、73.6、70.9°C，裸CPU为81.6°C；1500 μm样品降温10.7°C。热阻分解表明，TIM到环境热阻随高度由160.7降至110.9°C/W，侧墙对流与辐射占比由约12%升至29%。结果表明：在厘米级高度内，表面积增长对散热的提升强于热导率小幅下降的负面影响。

2.4 图案化增强与对比验证

将1500 μm VACNT模压为鳍片阵列后，稳态CPU温度降至69.4°C，较同构型1.5 mm铝散热器（76.1°C）低6.7°C，也优于6 mm原装铝散热器（74.5°C）与黑阳极氧化铝（72.1°C）。计算显示VACNT辐射换热量高一个数量级（0.0331 W对铝约0.002 W）。Cu溅射渐进覆盖实验证明，孔隙封堵与低发射率Cu覆盖会削弱性能；不同孔隙率对照进一步说明纳米孔隙带来的“空气渗透有效面积”是额外散热路径。50次循环后性能稳定。

2.5 多构型实用适应性

VACNT可被模压为鳍片、蜂窝、网格，也可卷绕、剪刀裁剪、拼贴扩展。其纳米多孔柔顺性支持曲面贴合，但压缩耐受有限，故实际封装应避免直接受压，依靠形状定制实现非接触式被动散热。

讨论与结论翻译

讨论指出，VACNT优势并非单一高发射率，而是“高发射率+纳米多孔有效面积+轴向导热”的协同；金属散热器虽可经涂层、蚀刻、阳极氧化提发射率，但需额外工序，而VACNT经CVD生长与转移即天然具备多尺度散热属性。其局限在于机械承压能力不强，需通过构型设计而非刚性安装融入器件。

结论部分翻译如下：

本研究开发了直接利用多尺度结构的VACNT独立式散热器，用于被动多模态热管理。该VACNT通过催化层氧化从生长基底洁净剥离，在500–1500 μm高度下具备32–40 W/m·K热导率并保持可操作力学性能。在Raspberry Pi Zero 2 W平台上，1500 μm VACNT使峰值稳态CPU温度较裸CPU降低10.7°C；图案化VACNT在相同构型下较商用铝散热器再低6.7°C。该优势源于VACNT表面高发射率（ε≈0.98）带来的高效辐射，以及纳米多孔结构提供的大有效对流面积。图案化器件在反复热循环中表现稳定，并可成型为鳍片、蜂窝与网格等构型。结合其可卷曲、可裁剪、可拼贴特性，VACNT为下一代电子器件同时利用传导、对流与辐射的被动冷却系统提供了可行策略。

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