Эффективный пористый термоинтерфейсный материал с функцией МНОУТ для охлаждения ЦП: моделирование тепловых характеристик и экспериментальные исследования

Почему охлаждение чипов важно для всех

От игровых ПК до смартфонов и дата‑центров современные электронные устройства содержат больше вычислительной мощности в меньших размерах, чем когда‑либо ранее. Вся эта мощность превращается в тепло, и если оно не отводится достаточно быстро, падает производительность и возрастает риск преждевременных отказов компонентов. В этом исследовании рассматривается новый способ отведения тепла от процессора с помощью легкого пористого материала, усиленного крошечными углеродными трубками, с целью сделать будущие устройства более быстрыми, прохладными и надежными.

Новый мост для тепла между чипом и охладителем

Между процессором и его металлическим охлаждающим блоком находится тонкий слой, называемый термоинтерфейсным материалом (TIM). Его задача — заполнить микроскопические зазоры, чтобы тепло могло перейти с плоского чипа на радиатор, а затем в воздух. Стандартные пасты и прокладки начинают испытывать трудности по мере роста тепловыделения чипов. Здесь исследователи предлагают TIM из губчатого пластика полиформаль, в который введены многослойные углеродные нанотрубки — микроскопические, высоко проводящие цилиндры из углерода. Пена обеспечивает мягкость, малый вес и простоту изготовления, а нанотрубки действуют как скоростные «линии» для тепла, проходящего через слой.

Как команда испытала пену в рабочем компьютере

Чтобы проверить, действительно ли этот материал способен охладить процессор, команда создала как компьютерные модели, так и физическую испытательную установку. Они смоделировали поток воздуха и теплообмен внутри корпуса ПК с помощью специализированного ПО, решающего уравнения движения жидкости и теплопередачи. В модели использовалась реалистичная схема: квадратный чип ЦП с тепловыделением 80 ватт, тонкий слой TIM, алюминиевый радиатор с высокими ребрами и вентилятор, продувающий воздух через эти ребра. В лаборатории они воссоздали эту ситуацию с реальным корпусом, нагревательными блоками, имитирующими работающий процессор, вентиляторами и радиаторами, тщательно измеряя температуры термопарами при изменении свойств пенопласта.

Больше нанотрубок, лучшая форма контакта и минимально допустимая толщина

Ключевой вопрос — какие конструктивные решения сильнее всего влияют на температуру ЦП. Сначала команда варьировала долю углеродных нанотрубок в пене. Без нанотрубок пена почти не помогала, и тепло накапливалось у чипа. По мере увеличения содержания нанотрубок проводимость материала заметно улучшалась, и при 4 мас.% нанотрубок тепло равномернее распределялось по прокладке и переходило в радиатор, существенно снижая температуру ЦП. Далее они исследовали форму прокладки. Круглый кусок оставлял часть площади квадратного чипа непокрытой, создавая «узкое место». Квадратная прокладка, плотно соответствующая поверхности чипа, обеспечивала более прямой контакт, снижая сопротивление теплопередаче и ещё больше уменьшая температуру.

Поиск оптимальной толщины прокладки

Толщина оказалась не менее важной, чем состав и форма. Исследователи тестировали слои пены от 2 до 15 мм. Более толстые слои удлиняли путь тепла и стабильно приводили к более горячим ЦП, даже при высоком содержании нанотрубок. Тонкие слои укорачивали путь и плотнее прижимались между чипом и радиатором, выдавливая мельчайшие воздушные полости, выступающие в роли изоляторов. Лучший результат показала квадратная прокладка толщиной 2 мм с 4% нанотрубок: при нагрузке 80 Вт такая конфигурация удерживала ЦП примерно на 66,7 °C, на несколько градусов холоднее других сочетаний и заметно лучше пены без нанотрубок.

Что это значит для будущих устройств

В практическом плане работа показывает, что простая губчатая прокладка, насыщенная микроскопическими углеродными трубками, может образовать высокоэффективный тепловой мост между горячим чипом и его охладителем. При правильной настройке доли нанотрубок, формы и толщины прокладки пенопластовый TIM безопасно отводит больше тепла, позволяя процессорам работать холоднее при высокой нагрузке. Поскольку материал легкий, термостойкий и может производиться недорого, он представляет собой перспективное направление для поддержания работоспособности компьютеров, серверов и другой электроники следующего поколения без перегрева.

Цитирование: Ali, N., Anis, B. & Elhadary, M. Efficient foam-based thermal interface material functionalized with MWCNTs for CPU cooling applications: thermal performance modeling and Experimental studies. Sci Rep 16, 10799 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41260-5

Ключевые слова: Охлаждение ЦП, термоинтерфейсный материал, пористая структура из углеродных нанотрубок, управление теплом в электронике, конструкция радиатора