復合相變材料的制備及其電子器件熱控應用研究

＊張碩 唐旭東 徐濤*

（1.中國航天科工集團8511研究所 江蘇 210007 2.廣州大學土木工程學院建筑節能研究院 廣東 510006）

1.引言

以潛熱形式儲能的材料稱為相變材料（PCMs），其在相變循環過程中具有恒定的吸收和釋放熱量的能力，形成了蓄熱和放熱現象[1-2]。另外，由于在相變過程中，相變材料的溫度維持恒定不變，所以可以應用于溫度控制領域。近年來，電子芯片等元件發展迅速，有微型化、高功率的特性，元件的散熱問題是制約其發展的因素之一，而相變材料可以在一定程度上對電子元件形成熱保護，確保其在低溫工況下運行。張芳等[3]設計了一種以石蠟為相變材料的電子溫控裝置，研究表明，該裝置可以有效減緩溫度升高至上限的速率，能夠滿足間歇性運行的電子元件的過熱保護。

有機相變材料已在許多應用中得到成功測試和實施，如建筑中的空間加熱、電子設備等領域，它具有一致熔化而不發生相分離的能力，但有機相變材料的導熱系數比較低（0.1-0.35W/(m·K)），需要其他措施來提高傳熱速率[4]。金屬一般具有較強的導熱性能，張寅平等[5]等在石蠟中添加了不同的金屬微粒來比較對其導熱系數的影響，結果表明隨著金屬粉末的質量分數增加，材料的導熱系數不斷增強，質量分數為20%的鋁粉和銅粉，對材料的導熱系數分別提高了48%和24%。Fok S.C.等[6]設計了一種鋁制翅片輔助電子設備散熱，該設備通過將相變材料封裝在金屬腔體內，解決了相變材料固液相變時存在的形狀不穩定和泄露問題，通過實驗和模擬的方式，驗證了鋁制翅片結構有利于增強相變材料傳熱能力。

膨脹石墨是一種輕質多孔的材料，具有良好的導熱性能，對非極性有機大分子物質具有很強的吸附能力[7]，可以作為有機相變材料的支撐材料。Py X.等[8]使用膨脹石墨吸附石蠟，制備出了膨脹石墨質量分數為2%至10%的石蠟/膨脹石墨復合相變材料，材料的導熱系數有了明顯提高，不過由于膨脹石墨的含量過少，不能給石蠟提供充足的吸附孔，制備的復合相變材料容易發生泄漏。丁鵬等[9]探究了膨脹石墨含量更高的石蠟/膨脹石墨復合相變材料，其中膨脹石墨質量分數為40%的材料的升溫速率提升了158%，降溫速率提升了40%，并且明顯地減少了溫度變化的波動性。

本文制備并測試了一種有機物/膨脹石墨復合材料，其中膨脹石墨的質量分數為85%，通過數值模擬的方法，驗證了其應用于電子設備散熱部件時，可以有效延長設備達到限定溫度的時間，提高電子元器件抗熱沖擊的能力。

2.復合相變材料制備及其熱性能分析

(1)復合相變材料的原料及制備

原料：有機物熔點為70℃，焓值270J/g，購自珠海正方節能科技有限公司。選擇粒度為50目的膨脹石墨，膨脹率200mL/g，購自山東青島石墨股份有限公司。

本研究采用熔融共混方法。首先將一定質量的石蠟加入燒杯中，并將燒杯放入數字恒溫水浴鍋中加熱，水溫設置為80℃。等到石蠟完全融化為液體后，加入質量分數為15%的膨脹石墨，在水浴鍋中繼續攪拌30min。最后當混合物變為質地均勻、黑色的粉末狀后，有機物/膨脹石墨復合相變材料制備完成，將燒杯從水浴鍋中取出并冷卻。

(2)復合相變材料的相變溫度和焓值

采用差示掃描量熱計（DSC 204F1耐馳儀器有限公司，德國）對樣品的相變過程進行分析，測試其相變溫度和焓值。每次測量取樣的質量約為10mg，在氮氣環境下進行測試，溫度變化速率設置為5℃/min。如圖1所示，分別為純有機物和膨脹石墨質量分數為15%的復合相變材料的DSC曲線，可以看出加入膨脹石墨對相變材料熔點沒有明顯影響，為70℃。另外純有機物的焓值為270.4J/g，復合相變材料的焓值有了明顯降低，為221.5J/g。

圖1 純有機物（a）及復合相變材料（b）的DSC曲線

(3)復合相變材料的導熱系數

為了檢驗復合相變材料的導熱性，采用瞬態平面熱源法測量純有機物和膨脹石墨質量分數為15%的復合相變材料樣品的熱導率，在TPS2500熱常數分析儀（瑞典Hot Disk公司）上，使用5465型探針進行測定。在測量之前，使用自制模具將樣品壓縮成型為Φ30mm×10mm的圓柱形塊體，壓力約為0.5MPa。復合相變材料導熱系數為5.1W/(m·K)，相比于純有機物（0.36W/(m·K)）提高了約12倍。

3.仿真計算及分析

采用Fluent熱仿真軟件對應用了復合相變材料儲熱板的電子組件進行模擬，檢驗復合相變材料的實際應用價值。設定的復合相變材料物性參數為相變溫度70℃，相變潛熱220J/g，導熱系數為5W/(m·K)，密度為0.9g/cm3，比熱容為1.5J/(g·K)。

(1)電子組件模塊結構

儲熱板由底板、蓋板、相變材料組成，如圖2所示。外型尺寸：182.2mm×67.5mm×10.3mm。重量：≤0.13kg。

圖2 儲熱板組成

在65℃的環境溫度下，儲熱板可以將芯片（總熱量不超過34.4W）產生的熱量通過支架傳導，由相變材料吸收，在180s內保證組件殼體溫度不超過90℃。其中主要發熱芯片包括四類，芯片分布如圖3所示，組件功率總計：33.44W，特性如表1所示。

表1 發熱芯片參數

圖3 熱功耗分布示意圖

(2)仿真結果

已知熱功耗以及65℃環境溫度等條件，建立仿真模型，得到仿真結果。圖4為四類芯片（t1，t2，t3，t4）表面升溫曲線。隨著電子組件運行，四類芯片溫度不斷升高，當運行時間到達27s左右時，芯片溫度升高速率降低，出現恒溫階段（在345K～352K左右）。該階段持續時間約為100s，是由于加熱過程中，溫度達到復合相變材料的熔點，并開始融化吸收大量潛熱，造成溫度減緩增長。130s左右恒溫階段消失，溫度繼續快速增長，此時復合相變材料已經完全融化，電子組件吸收的熱量以顯熱為主，復合相變材料的功能得到充分發揮。

圖4 芯片表面溫升曲線

圖5和圖6分別為芯片和電子組件在180s后溫度分布示意圖。由于復合相變材料在升溫過程中吸收了大量熱量，使得電子組件的升溫速率大大減緩。熱耗最高的2類芯片，運行180s后最高溫度為89.34℃（362.49K），而熱耗最低的3類芯片，最高溫度僅為85.19℃（358.34K）。綜上所述，在65℃的環境溫度下，儲熱板可以將組件（總熱量不超過34.4W）產生的熱量通過支架傳導，由相變材料吸收，在180s內保證組件殼體溫度不超過90℃。

圖5 芯片溫度分布示意圖

圖6 電子組件溫度分布示意圖

4.結論

本研究制備了有機物/膨脹石墨復合相變材料，利用膨脹石墨良好的吸附性能，給有機物作為支撐材料，同時提高了其導熱系數。然后通過數值模擬的方式，對該相變材料的可靠性進行驗證，研究了電子元件散熱支架填充了復合相變材料之后，芯片和儲熱板運行后表面的升溫過程，分析了該相變散熱器的抗熱沖擊性能，結論如下：

（1）膨脹石墨質量分數為15%的有機物/膨脹石墨復合相變材料具有較高的相變潛熱，為221.5J/g，另一方面導熱系數為5.1W/(m·K)，比純有機物的導熱系數提高了約12倍。

（2）復合相變材料應用于儲熱板中，由于相變材料融化吸收大量熱量，升溫過程出現較長時間的恒溫階段，可以大大增加電子組件達到最高允許溫度的時間，表明該復合相變材料滿足電子組件對散熱的技術要求。