高導熱柔性相變材料及其熱控特性研究.pdf

1、隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在電子芯片的散熱功率和散熱密度日益提高的同時，對其熱控的要求也越來越高。相變儲能熱控由于儲能密度高、溫度波動小、系統(tǒng)簡單、操作方便等優(yōu)點，已成為電子器件最重要的被動熱控手段之一。但是，目前普遍采用的固液相變材料由于在相變過程中固液變化所導致的安裝困難、易于泄漏等問題已成為制約相變熱控的最關(guān)鍵因素。盡管有研究者提出了利用定形相變材料解決上述問題的方案，但是目前依然有很多關(guān)鍵問題沒有解決，主要體現(xiàn)在:由于對于相變材料的導

2、熱強化機理缺乏必要的研究，使得現(xiàn)有熱控相變材料熱導率較低，從而導致潛熱利用效率低、溫控精度差;由于缺乏柔性，相變熱控組件在復雜形狀的熱控表面上安裝困難，同時，也不便于控制相變材料與熱控表面之間的接觸熱阻;對于適用于有限空間條件下電子器件相變熱控的薄膜型相變材料及其傳熱機理和熱控特性的研究還相當不足。
　　針對上述問題，本文對相變材料的導熱強化機理、高導熱柔性相變材料的制備以及各向異性的柔性薄膜相變材料及其熱控傳熱特性等關(guān)鍵問題進行

3、了系統(tǒng)研究。
　　首先，基于固體物理中連續(xù)相（相變基體）與孤立相（導熱增強劑）介質(zhì)的混合結(jié)構(gòu)特性，建立了導熱增強劑對復合相變材料導熱增強的理論分析模型，分析了增強劑的作用機理并得出了導熱強化準則。以碳增強劑與相變基體的復合相變材料為例，從材料混合過程中增強劑的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（單體表面積Ssc、單體質(zhì)量msc、單體尺寸寬高比x(l/d）、幾何分布）著手，通過分析混合組分之間的結(jié)構(gòu)混合特征，提出以平行混合模型為基礎(chǔ)、以增強劑排列傾斜角θ

4、進行修正的建模方法，建立起復合材料等效熱導率λeff與混合組分的直接可測參數(shù)（增強劑的質(zhì)量分數(shù)a、比表面積s0、寬度d、寬高比x、熱導率λ2，相變基體材料的密度ρph和熱導率λ1）之間的計算關(guān)系式λeff=λ(a，s0d，ρph，x,λ1，λ2)。經(jīng)過與實驗數(shù)據(jù)對比，該模型在增強劑含量小于10％時，計算誤差小于12.8％;通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)，增強劑的s0、l/d和d是影響等效熱導率的關(guān)鍵參數(shù)。并在該模型的指導下，針對某一石蠟基復合相變材

5、料導熱增強劑的優(yōu)化選擇，當添加量為3％時，其熱導率可達2.10W/m·K，是已有文獻最高值的2倍。
　　為了解決現(xiàn)有定形相變材料柔性差的問題，本文基于上述復合相變材料熱導率分析模型，同時選用具有相分離特性的彈性共聚物—烯烴嵌段共聚物OBC作為相變材料的支撐載體，制備出柔性高導熱相變材料。該相變材料在低于OBC的熔點范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)剛性與柔性的可逆轉(zhuǎn)化，并且柔性隨著溫度的增加而增加。對相變材料的熱學性質(zhì)進行表征時發(fā)現(xiàn)，該柔性相變材料

6、與常規(guī)定形相變材料類似，具有穩(wěn)定的相變溫度、相變潛熱，同時也具備良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。采用壓延法成功制備出厚度為0.1mm和0.01mm量級的柔性高導熱相變薄膜材料，為有限空間條件下電子器件相變熱控的工程應用提供了可能。
　　利用上述高導熱柔性相變薄膜，對有限空間條件下電子器件熱控特性進行了實驗研究，系統(tǒng)分析了熱控過程中各參數(shù)對熱控性能的影響。結(jié)果表明，室溫環(huán)境和室外環(huán)境下相變薄膜均可以對模擬電子芯片起到顯著的熱控效果;熱

7、控過程中，相變薄膜的厚度存在一個最佳值，使得受控芯片的溫升速率最低，熱控效果最好;薄膜的熱導率越高越有利于受控部件溫度的降低，但現(xiàn)有的有效熱導率水平依然制約著相變薄膜的潛熱利用率。針對上述問題，本文提出選用擴熱薄膜（0.05mm的高導熱石墨片）和柔性相變薄膜復合而成的擴熱相變組件對電子器件的熱控性能進行優(yōu)化的方案，并定義產(chǎn)熱芯片面積與器件底板面積之比為面積因子s。結(jié)果表明，擴熱相變組件能夠增加相變材料的熱容利用率和有效熱控時間;s越小，

8、相變薄膜的潛熱利用率越低，有效熱控時間越短，而擴熱對熱控性能的改善效果越明顯。上述研究結(jié)果對電子器件相變熱控技術(shù)的實施和優(yōu)化提供了有力的依據(jù)。
　　本文提出采用導熱率呈現(xiàn)出各向異性的相變材料來取代上述擴熱相變組件，在不增加電子設(shè)備空間的前提下同時實現(xiàn)熱源熱量在切面上的擴散和對熱源溫度的控制，并以局部小面積熱源的電子設(shè)備為研究對象，對相變材料各向異性熱導率對擴熱及熱控性能的影響進行數(shù)值研究。結(jié)果表明，隨著熱源面積s的降低，法向熱導率