相變材料（Phase Change Material, PCM）是一類能夠通過物態(tài)轉(zhuǎn)變吸收或釋放大量熱量的功能材料（具體可看下方視頻）。它們在固-液或液-氣相變過程中具有顯著的潛熱效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的存儲(chǔ)與釋放，因而在熱管理領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。基于其優(yōu)異的儲(chǔ)能與控溫性能，相變材料在建筑蓄熱、太陽能熱利用、電子設(shè)備散熱等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。

相變材料隨溫度變化而改變形態(tài)

然而，傳統(tǒng)相變材料由于熱導(dǎo)率偏低，常導(dǎo)致熱量傳遞效率受限，從而影響其在高性能場景中的實(shí)際應(yīng)用。為了突破這一瓶頸，提高相變材料的熱導(dǎo)率已成為研究和應(yīng)用中的重要方向之一。

為什么要提高相變材料熱導(dǎo)率？

以鋰電池為例，作為近年來最突出的新能源技術(shù)之一，鋰電池憑借高能量密度、大容量和長壽命等優(yōu)勢，在新能源汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為電池模組的重要組成部分，對(duì)提升性能起到關(guān)鍵作用。

電動(dòng)汽車鋰電池

鋰電池的理想工作溫度為15℃到40℃。當(dāng)溫度超過40℃，內(nèi)部副反應(yīng)加劇，導(dǎo)致熱量積累，進(jìn)而縮短電池壽命，甚至引發(fā)熱失控。單個(gè)電池?zé)崾Э剡€可能擴(kuò)散到整個(gè)電池組，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。此外，溫度不均勻性會(huì)導(dǎo)致充放電和電化學(xué)行為分布不均，損害電池性能和壽命。因此，開發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成為重要課題。

目前，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻兩類，其中被動(dòng)冷卻依賴材料特性，如熱管冷卻和相變材料（PCM）冷卻。PCM在相變過程中能吸收或釋放熱量，同時(shí)保持溫度恒定。通過合理設(shè)計(jì)，PCM不僅可散熱，還能緩沖熱量。其優(yōu)勢包括成本效益高、操作簡便、空間需求低以及均勻溫度控制等，使其在鋰電池?zé)峁芾碇姓宫F(xiàn)良好應(yīng)用前景。

相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

不過相變材料在實(shí)際中的應(yīng)用依然面臨一定的限制。這主要由于相變材料的熱導(dǎo)率通常偏低，導(dǎo)致在相變冷卻過程中熱傳遞效率不高，意味著實(shí)際能夠參與相變過程的材料部分有限，大大降低了實(shí)際使用效能這一點(diǎn)在很大程度上限制了相變冷卻技術(shù)在電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用范圍。因此，提升相變材料的熱傳導(dǎo)效率已成為近年來研究的重點(diǎn)。

提高相變材料傳熱效率的方法

為了進(jìn)一步提升傳熱效率，可以通過優(yōu)化相變材料的應(yīng)用方式以及微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，具體如下。

1、提高相變材料的傳熱面積

PCM的主要缺點(diǎn)是其熱導(dǎo)率低，這限制了它們在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用，特別是在快速充電條件下。這一限制可以通過使用擴(kuò)展表面，如散熱翅片，來增加熱傳遞面積來解決（如下圖）。

散熱片軸向徑向分布方式

以圓柱形電池為例，散熱片沿軸向和徑向排列，分別稱為縱向散熱片和徑向散熱片。散熱片材料必須具有高熱導(dǎo)率以降低熱阻，高比熱容以確保單位體積的高儲(chǔ)熱水平，低密度以確保單位質(zhì)量的高儲(chǔ)熱水平。鑒于此，廣泛使用銅和鋁作為散熱片材料。

2、提高相變材料的熱導(dǎo)率

有機(jī)相變材料自身熱導(dǎo)率較低，一般在0.2W/mk左右，為提高相變復(fù)合材料熱導(dǎo)率，最直接且便捷的方法是添加納米材料增強(qiáng)導(dǎo)熱，如金屬填料、陶瓷填料等。除此之外也可以通過與石墨烯等導(dǎo)熱材料復(fù)合的形式提高熱導(dǎo)率。

①添加納米材料增強(qiáng)導(dǎo)熱

增強(qiáng)相變材料導(dǎo)熱率的一種方法是在儲(chǔ)熱系統(tǒng)中使用納米材料或者高導(dǎo)熱材料，例如納米顆粒（銅、氧化銅、鋁、二氧化硅等）、納米片、納米線、納米管、和納米纖維等。

以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或金屬氧化物粒子，形成新的強(qiáng)化傳熱介質(zhì)。納米流體導(dǎo)熱系數(shù)增大的原因，一是固體顆粒的加入改變了基礎(chǔ)液體的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了混合物內(nèi)部的能量傳遞過程，使得導(dǎo)熱系數(shù)增大；二是納米粒子的小尺寸效應(yīng)，使得粒子與液體間有微對(duì)流現(xiàn)象存在，這種微對(duì)流增強(qiáng)了粒子與液體間的能量傳遞過程，增大了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

②導(dǎo)熱材料復(fù)合

將高導(dǎo)熱材料與相變材料進(jìn)行復(fù)合是提高相變材料導(dǎo)熱的另一種方法，最常見的是利用石墨、石墨烯、碳纖維等與相變材料進(jìn)行復(fù)合。

l 碳纖維

碳纖維具有導(dǎo)熱系數(shù)高（約為10~140W/mK）、比重小、高張力、高彈性和熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，能與絕大多數(shù)相變材料相容，耐腐蝕能力較強(qiáng)，且纖維直徑很小，有利于在材料中均勻布置，作為強(qiáng)化傳熱物質(zhì)一直備受研究者關(guān)注。

碳纖維復(fù)合相變材料

l 膨脹石墨

膨脹石墨是以鱗片石墨為原料采用特殊工藝，使鱗片石墨沿層間方向膨化而成的產(chǎn)物。它既保留了天然鱗片石墨的導(dǎo)熱性好、無毒害等優(yōu)良性質(zhì)，又具有天然鱗片石墨所沒有的吸附性、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性以及生物相容性等特征。

相變材料石蠟復(fù)合膨脹石墨

小結(jié)：雖然直接添加導(dǎo)熱填料提升熱導(dǎo)率的方式簡便簡單，對(duì)填料的要求較少，但是很難大幅度提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率的提升與填料的添加量成正比，然而過量地加入導(dǎo)熱填料雖然能提升熱導(dǎo)率，卻會(huì)減少相變材料的含量，降低相變復(fù)合材料的儲(chǔ)熱能力。

另外，納米顆粒在相變過程中容易發(fā)生團(tuán)聚，這不利于復(fù)合材料內(nèi)部的熱傳遞均勻性，可能導(dǎo)致熱傳導(dǎo)效率的不一致。而且這種隨機(jī)分散的結(jié)構(gòu)往往會(huì)存在泄漏的問題。因此制備高導(dǎo)熱的相變復(fù)合材料仍然具有較大的挑戰(zhàn)，也是其在實(shí)際應(yīng)用中的主要技術(shù)瓶頸。

相變材料的其他重要應(yīng)用

目前PCM 已用于多種應(yīng)用，包括建筑物蓄熱、太陽能熱能和空調(diào)。此外在電子工業(yè)中，PCM還可被用作熱界面材料(TIM)來改善處理器、顯卡和芯片等部件的散熱。

TIM是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要作用是填補(bǔ)兩種材料接合或接觸時(shí)表面產(chǎn)生的微空隙及凹凸不平的孔洞，減少熱傳遞的阻抗，提高散熱性。相變熱界面材料兼具導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱膏的雙重優(yōu)勢：

l 在相變溫度以下，具有良好的彈性和塑性，便于填充界面空隙；

l 在相變溫度以上，材料發(fā)生相變?yōu)橐簯B(tài)，高效潤濕界面，顯著降低熱阻。

此外，PCM 在相變過程中可通過吸收或釋放熱量，提供額外的能量緩沖，緩解器件溫度快速上升，有助于延長使用壽命。

TIM相變材料（來源：shinetsu）

而與傳統(tǒng)TIM相比，PCM 具備以下優(yōu)勢：

l 高儲(chǔ)熱能力：在相變之前吸收大量熱量，維持穩(wěn)定的散熱性能；

l 高效散熱：通過改變相態(tài)快速傳遞熱能；

l 長壽命：多次熱循環(huán)后性能穩(wěn)定，降低更換頻率；

l 環(huán)保：采用無毒材料，對(duì)環(huán)境友好。

可以說，PCM 的應(yīng)用能為電子設(shè)備提供了一種高效、可靠且環(huán)保的散熱解決方案，尤其適用于性能要求嚴(yán)苛的現(xiàn)代電子產(chǎn)品。

資料來源：

1、韋詩涵.高導(dǎo)熱相變復(fù)合材料的制備及電池?zé)峁芾響?yīng)用研究[D].浙江大學(xué),2024.DOI:10.27461/d.cnki.gzjdx.2024.000745.

2、其他網(wǎng)絡(luò)資料。

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