相變材料：不止散熱，還是“溫度平衡大師”

相變材料（PCM）是指溫度不變的情況下改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)。轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過(guò)程稱為相變過(guò)程，這時(shí)相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。相變材料具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)放熱過(guò)程中溫度恒定或近似恒定、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

相變材料已成為一種新的散熱方案。在電子器件散熱中，相變材料可應(yīng)用于散熱片、散熱管等散熱裝置中，起到優(yōu)化散熱效果的作用。此外，相變材料在相變過(guò)程中吸收大量熱量，能夠?qū)﹄娮悠骷鸬接行У臒岱雷o(hù)作用。

導(dǎo)熱相變材料，圖源：深圳市飛榮達(dá)科技股份有限公司

01 相變材料分類

相變材料按相態(tài)形式可分為：固-固相變材料、固-液相變材料、固-氣相變材料、液-氣相變材料。在涉及氣態(tài)的相變過(guò)程中，材料相變前后的體積變化較大，其相變過(guò)程難以控制，因此在實(shí)際工程中較少使用。而固-固相變材料、固-液相變材料在相變過(guò)程中體積變化較小，目前應(yīng)用較為廣泛。

按相變溫度可分為：高溫相變材料（相變溫度>450℃）、中溫相變材料（相變溫度100-450℃）、低溫相變材料（相變溫度<100℃）。按化學(xué)成分分為：有機(jī)相變材料、無(wú)機(jī)相變材料、復(fù)合相變材料。在工程中應(yīng)根據(jù)相變溫度和相變潛熱選擇合適的相變材料。

有機(jī)相變材料。主要有石蠟類、脂肪酸類、醇類、酯類等，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中含有碳原子，通常熱導(dǎo)率非常低，因此需要增強(qiáng)傳熱，以實(shí)現(xiàn)合理的熱輸出。

部分有機(jī)固－液相變材料的物性參數(shù)

無(wú)機(jī)相變材料主要是水合鹽，水合鹽是一類重要的中低溫相變材料，其熔點(diǎn)分布范圍較寬。水合鹽的相變過(guò)程是指水合鹽在加熱過(guò)程中脫去結(jié)晶水并吸收熱量，無(wú)機(jī)鹽和水在冷卻過(guò)程中重新結(jié)合形成水合鹽，并釋放熱量。

部分水合鹽的物性參數(shù)

02 相變熱界面材料

固-液相變材料應(yīng)用于熱界面材料（TIM）領(lǐng)域時(shí)，展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)：施工階段呈固態(tài)形態(tài)，便于精準(zhǔn)操作與施工部署；進(jìn)入工作狀態(tài)后，材料受熱熔化為液態(tài)，達(dá)到類似液態(tài)和焊接式TIM的效果，可最大化填充界面間隙與微孔隙，顯著降低接觸熱阻。此外，PCM在遭遇熱沖擊時(shí)可高效吸收部分熱量，從而緩沖大熱流密度對(duì)芯片的沖擊作用，宛如在導(dǎo)熱通道中增設(shè)了一個(gè)“蓄熱緩沖池”。基于上述特性，將固-液相變材料引入熱界面材料領(lǐng)域，有望開(kāi)發(fā)出兼具儲(chǔ)熱與導(dǎo)熱雙重功能的新型熱界面材料——相變熱界面材料（PCTIM）。

近年來(lái)，為研制高性能PCTIM，許多學(xué)者開(kāi)展了大量研究，所用策略主要包括：

①構(gòu)建導(dǎo)熱路徑，提高熱導(dǎo)率，如填充高導(dǎo)熱填料、將導(dǎo)熱填料進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理或采用低熔點(diǎn)金屬；

②制備定形復(fù)合相變材料，提高其穩(wěn)定性。

相變熱界面材料的導(dǎo)熱增強(qiáng)及定形改善策略

03 相變材料應(yīng)用領(lǐng)域

航天領(lǐng)域。航天器在發(fā)射到太空中在與大氣層摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量經(jīng)接觸面?zhèn)鬟f到航天器內(nèi)部，使儀器設(shè)備過(guò)熱從而影響航天器的穩(wěn)定性。所以需要對(duì)航天器進(jìn)行熱控制，減少高溫外殼傳遞給航天器內(nèi)部的熱量，或者增加儀器設(shè)備的熱容量從而控制儀器設(shè)備的溫度。相變材料具有較大的儲(chǔ)熱能力，可以包裹在儀器設(shè)備的表面吸收外部環(huán)境熱源，減少內(nèi)部溫度上升幅度，保持在一定的溫度范圍。

建筑領(lǐng)域。蓄熱在建筑節(jié)能方面發(fā)揮著重要作用，在建筑產(chǎn)品中加入潛熱儲(chǔ)存材料可以極大地提高蓄熱能力。通過(guò)在墻體、天花板、地板等建筑核心部位內(nèi)部封裝或嵌入適配的相變材料，能顯著強(qiáng)化其熱量?jī)?chǔ)存能力——這類材料既能直接捕獲太陽(yáng)能，也可通過(guò)自然對(duì)流高效收集環(huán)境熱能。建筑蓄熱性能的提升，能有效平抑室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)，讓室溫長(zhǎng)期穩(wěn)定在人體舒適區(qū)間，進(jìn)而顯著優(yōu)化居住體驗(yàn)。

太陽(yáng)能領(lǐng)域。儲(chǔ)能是可再生能源技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分，相較于光伏系統(tǒng)，太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)不僅能量利用效率更高，還能在白天高效捕獲太陽(yáng)能。但受限于儲(chǔ)熱能力不足，其在太陽(yáng)輻射減弱或沒(méi)有太陽(yáng)輻射時(shí)難以持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行——而相變材料的融入恰好破解了這一痛點(diǎn)，讓太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)24h連續(xù)高效運(yùn)行成為可能。

電池?zé)峁芾怼?/strong>隨著鋰離子電池市場(chǎng)在個(gè)人電子、電動(dòng)交通和固定儲(chǔ)能方面的不斷增長(zhǎng)，鋰離子電池的安全問(wèn)題面臨著持續(xù)挑戰(zhàn)。電池?zé)崾Э貢?huì)造成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，所以每個(gè)設(shè)計(jì)階段都需要保護(hù)措施。對(duì)電池進(jìn)行熱管理是一種解決電池?zé)崾Э氐挠行Х椒ā＠孟嘧儾牧系母邇?chǔ)熱密度吸收電池在使用過(guò)程中釋放出的熱量，能有效防止電池發(fā)生熱失控。

小結(jié)

相變熱界面材料兼具儲(chǔ)熱和導(dǎo)熱雙重功能，是一類極具發(fā)展前景的新型熱界面材料。目前關(guān)于提高PCTIM導(dǎo)熱性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究在不斷推進(jìn)，已經(jīng)從高性能導(dǎo)熱填料的開(kāi)發(fā)、填料與PCM的相容性、導(dǎo)熱通路的設(shè)計(jì)等方面改善了PCTIM的導(dǎo)熱性能。相變熱界面材料促進(jìn)了熱界面材料領(lǐng)域的發(fā)展，具有科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值，在提高電子封裝領(lǐng)域的散熱能力方面有很大的發(fā)展空間。

參考來(lái)源：

李萌等：相變材料用于電子器件散熱、熱防護(hù)的研究進(jìn)展

朱洪宇：相變復(fù)合材料的制備及其導(dǎo)熱性能研究

蔡楚玥等：相變熱界面材料導(dǎo)熱增強(qiáng)及定形改善的研究進(jìn)展