复合相变材料的制备及其电子器件热控应用研究

＊张硕 唐旭东 徐涛*

（1.中国航天科工集团8511研究所 江苏 210007 2.广州大学土木工程学院建筑节能研究院 广东 510006）

1.引言

以潜热形式储能的材料称为相变材料（PCMs），其在相变循环过程中具有恒定的吸收和释放热量的能力，形成了蓄热和放热现象[1-2]。另外，由于在相变过程中，相变材料的温度维持恒定不变，所以可以应用于温度控制领域。近年来，电子芯片等元件发展迅速，有微型化、高功率的特性，元件的散热问题是制约其发展的因素之一，而相变材料可以在一定程度上对电子元件形成热保护，确保其在低温工况下运行。张芳等[3]设计了一种以石蜡为相变材料的电子温控装置，研究表明，该装置可以有效减缓温度升高至上限的速率，能够满足间歇性运行的电子元件的过热保护。

有机相变材料已在许多应用中得到成功测试和实施，如建筑中的空间加热、电子设备等领域，它具有一致熔化而不发生相分离的能力，但有机相变材料的导热系数比较低（0.1-0.35W/(m·K)），需要其他措施来提高传热速率[4]。金属一般具有较强的导热性能，张寅平等[5]等在石蜡中添加了不同的金属微粒来比较对其导热系数的影响，结果表明随着金属粉末的质量分数增加，材料的导热系数不断增强，质量分数为20%的铝粉和铜粉，对材料的导热系数分别提高了48%和24%。Fok S.C.等[6]设计了一种铝制翅片辅助电子设备散热，该设备通过将相变材料封装在金属腔体内，解决了相变材料固液相变时存在的形状不稳定和泄露问题，通过实验和模拟的方式，验证了铝制翅片结构有利于增强相变材料传热能力。

膨胀石墨是一种轻质多孔的材料，具有良好的导热性能，对非极性有机大分子物质具有很强的吸附能力[7]，可以作为有机相变材料的支撑材料。Py X.等[8]使用膨胀石墨吸附石蜡，制备出了膨胀石墨质量分数为2%至10%的石蜡/膨胀石墨复合相变材料，材料的导热系数有了明显提高，不过由于膨胀石墨的含量过少，不能给石蜡提供充足的吸附孔，制备的复合相变材料容易发生泄漏。丁鹏等[9]探究了膨胀石墨含量更高的石蜡/膨胀石墨复合相变材料，其中膨胀石墨质量分数为40%的材料的升温速率提升了158%，降温速率提升了40%，并且明显地减少了温度变化的波动性。

本文制备并测试了一种有机物/膨胀石墨复合材料，其中膨胀石墨的质量分数为85%，通过数值模拟的方法，验证了其应用于电子设备散热部件时，可以有效延长设备达到限定温度的时间，提高电子元器件抗热冲击的能力。

2.复合相变材料制备及其热性能分析

(1)复合相变材料的原料及制备

原料：有机物熔点为70℃，焓值270J/g，购自珠海正方节能科技有限公司。选择粒度为50目的膨胀石墨，膨胀率200mL/g，购自山东青岛石墨股份有限公司。

本研究采用熔融共混方法。首先将一定质量的石蜡加入烧杯中，并将烧杯放入数字恒温水浴锅中加热，水温设置为80℃。等到石蜡完全融化为液体后，加入质量分数为15%的膨胀石墨，在水浴锅中继续搅拌30min。最后当混合物变为质地均匀、黑色的粉末状后，有机物/膨胀石墨复合相变材料制备完成，将烧杯从水浴锅中取出并冷却。

(2)复合相变材料的相变温度和焓值

采用差示扫描量热计（DSC 204F1耐驰仪器有限公司，德国）对样品的相变过程进行分析，测试其相变温度和焓值。每次测量取样的质量约为10mg，在氮气环境下进行测试，温度变化速率设置为5℃/min。如图1所示，分别为纯有机物和膨胀石墨质量分数为15%的复合相变材料的DSC曲线，可以看出加入膨胀石墨对相变材料熔点没有明显影响，为70℃。另外纯有机物的焓值为270.4J/g，复合相变材料的焓值有了明显降低，为221.5J/g。

图1 纯有机物（a）及复合相变材料（b）的DSC曲线

(3)复合相变材料的导热系数

为了检验复合相变材料的导热性，采用瞬态平面热源法测量纯有机物和膨胀石墨质量分数为15%的复合相变材料样品的热导率，在TPS2500热常数分析仪（瑞典Hot Disk公司）上，使用5465型探针进行测定。在测量之前，使用自制模具将样品压缩成型为Φ30mm×10mm的圆柱形块体，压力约为0.5MPa。复合相变材料导热系数为5.1W/(m·K)，相比于纯有机物（0.36W/(m·K)）提高了约12倍。

3.仿真计算及分析

采用Fluent热仿真软件对应用了复合相变材料储热板的电子组件进行模拟，检验复合相变材料的实际应用价值。设定的复合相变材料物性参数为相变温度70℃，相变潜热220J/g，导热系数为5W/(m·K)，密度为0.9g/cm3，比热容为1.5J/(g·K)。

(1)电子组件模块结构

储热板由底板、盖板、相变材料组成，如图2所示。外型尺寸：182.2mm×67.5mm×10.3mm。重量：≤0.13kg。

图2 储热板组成

在65℃的环境温度下，储热板可以将芯片（总热量不超过34.4W）产生的热量通过支架传导，由相变材料吸收，在180s内保证组件壳体温度不超过90℃。其中主要发热芯片包括四类，芯片分布如图3所示，组件功率总计：33.44W，特性如表1所示。

表1 发热芯片参数

图3 热功耗分布示意图

(2)仿真结果

已知热功耗以及65℃环境温度等条件，建立仿真模型，得到仿真结果。图4为四类芯片（t1，t2，t3，t4）表面升温曲线。随着电子组件运行，四类芯片温度不断升高，当运行时间到达27s左右时，芯片温度升高速率降低，出现恒温阶段（在345K～352K左右）。该阶段持续时间约为100s，是由于加热过程中，温度达到复合相变材料的熔点，并开始融化吸收大量潜热，造成温度减缓增长。130s左右恒温阶段消失，温度继续快速增长，此时复合相变材料已经完全融化，电子组件吸收的热量以显热为主，复合相变材料的功能得到充分发挥。

图4 芯片表面温升曲线

图5和图6分别为芯片和电子组件在180s后温度分布示意图。由于复合相变材料在升温过程中吸收了大量热量，使得电子组件的升温速率大大减缓。热耗最高的2类芯片，运行180s后最高温度为89.34℃（362.49K），而热耗最低的3类芯片，最高温度仅为85.19℃（358.34K）。综上所述，在65℃的环境温度下，储热板可以将组件（总热量不超过34.4W）产生的热量通过支架传导，由相变材料吸收，在180s内保证组件壳体温度不超过90℃。

图5 芯片温度分布示意图

图6 电子组件温度分布示意图

4.结论

本研究制备了有机物/膨胀石墨复合相变材料，利用膨胀石墨良好的吸附性能，给有机物作为支撑材料，同时提高了其导热系数。然后通过数值模拟的方式，对该相变材料的可靠性进行验证，研究了电子元件散热支架填充了复合相变材料之后，芯片和储热板运行后表面的升温过程，分析了该相变散热器的抗热冲击性能，结论如下：

（1）膨胀石墨质量分数为15%的有机物/膨胀石墨复合相变材料具有较高的相变潜热，为221.5J/g，另一方面导热系数为5.1W/(m·K)，比纯有机物的导热系数提高了约12倍。

（2）复合相变材料应用于储热板中，由于相变材料融化吸收大量热量，升温过程出现较长时间的恒温阶段，可以大大增加电子组件达到最高允许温度的时间，表明该复合相变材料满足电子组件对散热的技术要求。