[发明专利]一种基于石墨烯膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种导热链优化设计方法，涉及基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链优化设计方法领域，所述导热链包括由多个石墨烯层构成的石墨烯膜和位于所述石墨烯层间的法向导热层；所述导热链两端分别为冷端和热端，且所述法向导热层位于所述冷端和热端。采用本专利中的方案，可以实现导热链的轻质、高柔性和高导热性，同时实现有效隔振，能够实现空间制冷系统的轻量化、高效率、易实施和高可靠性。

技术领域

本发明涉及一种导热链优化设计方法，特别指一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法。

背景技术

导热链经常用于空间相机焦面与制冷机冷指之间传热，或用于热源和辐射散热面之间传热。目前冷链(也叫导热链)材料主要以碳基冷链和金属基冷链为主，金属材料的密度大，导热系数较低(银、铜、铝的常温热导率分别仅有430W/mK、400W/mK、238W/mK)，高密度、高刚度、低导热率的金属材料很难满足高导热效率、轻质高柔性的应用需求。

热裂解石墨膜和压延膜也用于制备导热链，一般应用在150K以上温区的空间热管理。在热裂解石墨膜中，高度取向的石墨晶体及共价交联结构造成了其柔性与导热性能难以兼容的矛盾。同时，其热裂解产生的石墨晶体单元的微小尺寸也是碳化膜导热难以突破的原理性难题。膨胀石墨压延膜是将石墨粉体通过压延成型制备的晶体粉末材料。压延膜过程中难以控制的晶体边缘解理面缺陷直接造成其导热率仅有600W/mk、严重的结构不稳定(容易掉渣掉粉)和脆性，难以适应空间应用中的柔性高导热材料的性能需求。

我国是世界上优质石墨储量和产量最大的国家。拥有制备石墨烯膜的丰富的原材料。在柔性冷链航天化应用方面，国内外研究虽存在一定差距，但差距不大。国外石墨片、石墨压延膜均已获得航天应用，冷链制备工艺也较成熟。但石墨烯膜冷链的相关工作目前尚未见公开报道。本发明通过研制一款新型石墨烯膜柔性导热链，有效的解决了普通导热链轻质、高柔性、高导热性难以兼容的问题，同时有利于实现三维随形布置。大大节省对空间的应用需求。对于遥感相机减重，制冷系统性能提升有着重要的意义。

传统金属基冷链或热管首先重量重、刚度高，而金属基冷链在60K-220K 温区的热导率通常较低，不到400W/mK，而目前的热管技术很难覆盖常温至深低温区，且柔性与石墨烯膜冷链也有较大差距，难以适用减振需要。该研究成果在航天器高效热控、减重、减振和能源高效利用等领域有广泛的应用。

为了实现石墨烯膜冷链高导热性、轻量化和超柔性兼容性设计，需要对冷链整体结构开展优化设计。因此，设计一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法，以适应航天应用的需要。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法，解决快速设计高效导热、隔振石墨烯膜导热链的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于石墨烯宏观组装膜的高效轻质柔性导热链的优化设计方法，导热链至少包括由多个厚度为X₁的石墨烯层构成的石墨烯膜，10μm≤X₁≤100μm；石墨烯膜最薄处的厚度为X₂，X₂≤15mm；石墨烯膜的两端具有法向导热层，构成导热链的冷端和热端，法向导热层位于石墨烯层层间；冷端和热端之间为冷链自由段；冷链自由段长度L_Z为5cm-50cm；石墨烯膜长度L大于冷端和热端之间的距离的103％；该方法包括：采集设计目标，根据设计目标对导热链的各项参数进行优化，设计目标包括：石墨烯膜最窄处的宽度Z(单位：m)、综合热导率Y₂(单位：W/m·K)、热通量Q(单位W)、减振效率C；

导热链的优化参数为：单个石墨烯层的厚度X₁(单位：μm)、石墨烯膜最薄处的厚度X₂(单位:mm)、石墨烯膜长度L(单位：m)、冷链自由段总长L_Z (单位：cm)，冷端和热端之间的距离d(单位：m)，具体为：