碳纳米管阵列的压力检测及有限元分析

摘要

随着微电子器件不断向小型化、多样化和高频等方向发展，器件内部过大的热流密度对其使用寿命和工作稳定性带来了不可忽略的影响。因此，寻求具有低热阻和高热导率的散热材料具有重要意义。碳纳米管不仅具有良好的机械性能，还具有极好的热学特性，有望成为解决器件散热问题的优良热管理材料。碳纳米管阵列作为热界面材料会受到不同程度的压力作用，因此研究压力对碳纳米管阵列热性能的影响具有重要意义。本文针对双向热流瞬态热反射法测试碳纳米管阵列的热特性设计了其压力检测系统，并用有限元分析了碳纳米管阵列表面的应力分布及碳纳米管阵列表面所受力与压力传感器检测值之间的关系。
　　本文设计了以STM32为核心，检测精度为0.1lb的压力检测系统。采用反向放大电路作为压力信号转换电路，将处理得到的压力值通过USB或者九针串口传送到上位机。标定了不同钳位电压下的传感器电导值与压力之间的关系曲线，并用此压力检测系统测量出传感器所受压力值，实现了基于双向热流的瞬态热反射法测量碳纳米管阵列热特性实验系统中的压力检测部分。
　　在双向热流瞬态热反射测试方法中，为了给碳纳米管阵列施加应力，采用了开孔钢片结构，因此，必须考虑其可能对碳纳米管阵列受力情况的影响。基于开孔泡沫模型和弹塑性材料的硬化特点，使用Comsol Multiphysics软件分析了190μm和650μm长度碳纳米管阵列表面和传感器处的应力分布。结果表明，只考虑应力张量在垂直方向作用的情况下，钢片开孔结构对碳纳米管阵列的应力均匀分布没有显著影响。在小应力作用下，可以认为碳纳米管阵列表面所受作用力与传感器检测值近似相等；在大应力作用下，碳纳米管阵列表面所受作用力略大于传感器检测到的作用力。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究动态

1.3 本课题研究的意义及内容

2 压力检测系统硬件设计

2.1 系统硬件总体框图

2.2 硬件设计

2.3 STM32最小系统模块设计

2.4 负电压转换电路模块设计

2.5 信号转换电路模块设计

2.6 通信电路模块设计

2.7 本章小结

3 压力传感器的标定与测试

3.1 传感器标定

3.2 传感器G-F研究

3.3 程序设计

3.4 压力检测系统测试

3.5 本章小结

4 有限元分析

4.1 有限元

4.2 基于连续介质理论的CNTs的研究

4.3 弹塑性力学

4.4 碳纳米管阵列层叠结构仿真

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录A 压力监测系统原理图

附录B 压力监测系统PCB

致谢