高导热柔性相变材料及其热控特性研究

摘要

随着电子技术的发展，在电子芯片的散热功率和散热密度日益提高的同时，对其热控的要求也越来越高。相变储能热控由于储能密度高、温度波动小、系统简单、操作方便等优点，已成为电子器件最重要的被动热控手段之一。但是，目前普遍采用的固液相变材料由于在相变过程中固液变化所导致的安装困难、易于泄漏等问题已成为制约相变热控的最关键因素。尽管有研究者提出了利用定形相变材料解决上述问题的方案，但是目前依然有很多关键问题没有解决，主要体现在:由于对于相变材料的导热强化机理缺乏必要的研究，使得现有热控相变材料热导率较低，从而导致潜热利用效率低、温控精度差;由于缺乏柔性，相变热控组件在复杂形状的热控表面上安装困难，同时，也不便于控制相变材料与热控表面之间的接触热阻;对于适用于有限空间条件下电子器件相变热控的薄膜型相变材料及其传热机理和热控特性的研究还相当不足。
　　针对上述问题，本文对相变材料的导热强化机理、高导热柔性相变材料的制备以及各向异性的柔性薄膜相变材料及其热控传热特性等关键问题进行了系统研究。
　　首先，基于固体物理中连续相（相变基体）与孤立相（导热增强剂）介质的混合结构特性，建立了导热增强剂对复合相变材料导热增强的理论分析模型，分析了增强剂的作用机理并得出了导热强化准则。以碳增强剂与相变基体的复合相变材料为例，从材料混合过程中增强剂的微观结构参数（单体表面积Ssc、单体质量msc、单体尺寸宽高比x(l/d）、几何分布）着手，通过分析混合组分之间的结构混合特征，提出以平行混合模型为基础、以增强剂排列倾斜角θ进行修正的建模方法，建立起复合材料等效热导率λeff与混合组分的直接可测参数（增强剂的质量分数a、比表面积s0、宽度d、宽高比x、热导率λ2，相变基体材料的密度ρph和热导率λ1）之间的计算关系式λeff=λ(a，s0d，ρph，x,λ1，λ2)。经过与实验数据对比，该模型在增强剂含量小于10％时，计算误差小于12.8％;通过敏感性分析发现，增强剂的s0、l/d和d是影响等效热导率的关键参数。并在该模型的指导下，针对某一石蜡基复合相变材料导热增强剂的优化选择，当添加量为3％时，其热导率可达2.10W/m·K，是已有文献最高值的2倍。
　　为了解决现有定形相变材料柔性差的问题，本文基于上述复合相变材料热导率分析模型，同时选用具有相分离特性的弹性共聚物—烯烃嵌段共聚物OBC作为相变材料的支撑载体，制备出柔性高导热相变材料。该相变材料在低于OBC的熔点范围内，可以实现刚性与柔性的可逆转化，并且柔性随着温度的增加而增加。对相变材料的热学性质进行表征时发现，该柔性相变材料与常规定形相变材料类似，具有稳定的相变温度、相变潜热，同时也具备良好的结构稳定性和化学稳定性。采用压延法成功制备出厚度为0.1mm和0.01mm量级的柔性高导热相变薄膜材料，为有限空间条件下电子器件相变热控的工程应用提供了可能。
　　利用上述高导热柔性相变薄膜，对有限空间条件下电子器件热控特性进行了实验研究，系统分析了热控过程中各参数对热控性能的影响。结果表明，室温环境和室外环境下相变薄膜均可以对模拟电子芯片起到显著的热控效果;热控过程中，相变薄膜的厚度存在一个最佳值，使得受控芯片的温升速率最低，热控效果最好;薄膜的热导率越高越有利于受控部件温度的降低，但现有的有效热导率水平依然制约着相变薄膜的潜热利用率。针对上述问题，本文提出选用扩热薄膜（0.05mm的高导热石墨片）和柔性相变薄膜复合而成的扩热相变组件对电子器件的热控性能进行优化的方案，并定义产热芯片面积与器件底板面积之比为面积因子s。结果表明，扩热相变组件能够增加相变材料的热容利用率和有效热控时间;s越小，相变薄膜的潜热利用率越低，有效热控时间越短，而扩热对热控性能的改善效果越明显。上述研究结果对电子器件相变热控技术的实施和优化提供了有力的依据。
　　本文提出采用导热率呈现出各向异性的相变材料来取代上述扩热相变组件，在不增加电子设备空间的前提下同时实现热源热量在切面上的扩散和对热源温度的控制，并以局部小面积热源的电子设备为研究对象，对相变材料各向异性热导率对扩热及热控性能的影响进行数值研究。结果表明，随着热源面积s的降低，法向热导率ky对受控部件温度T0的影响效果逐渐降低，而切向热导率kx对T0的影响效果逐渐增加;不同方向热导率对相变热控特性和扩热特性的作用大小主要取决于该方向上的温度梯度。基于上述研究结果，对有限空间条件下电子器件相变热控系统的结构布置提出了指导原则。
　　本文的重点在于解决相变热控过程的关键问题，但是本文的主要结论对于其他领域的相变储能也具有重要的参考价值。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究现状与趋势

1．2．1 电子设备热控技术的发展

1．2．2 相变材料的选择准则

1．2．3 相变材料的热导强化

1．2．4 相变材料封装性能和力学性能的改善

1．2．5 其他问题

1．3 本文的主要工作

第二章 复合相变材料导热增强剂的强化机理及选择准则

2．1 增强剂对复合相变材料热导率的强化模型

2．1．1 复合材料结构模型建立

2．1．2 复合相变材料传热模型

2．1．3 模型修正及参数求解

2．1．4 模型验证

2．2 优化准则的理论和实验研究

2．2．1 关键影响参数分析

2．2．2 增强剂的选择及验证

2．3 本章小结

第三章 高导热柔性薄膜相变材料的制备及性能表征

3．1 柔性相变材料的制备

3．1．1 支撑材料对定形相变材料的影响

3．1．2 柔性相变材料的制备

3．2 柔性相变材料的性能表征

3．2．1 柔性相变材料的微观结构、相变特性和热稳定性

3．2．2 柔性相变材料的柔性特性

3．2．3 柔性相变材料的接触特性

3．3 柔性相变材料的导热强化

3．4 本章小结

第四章 柔性相变薄膜材料用于电子设备热控的实验研究

4．1 实验方法

4．1．1 实验装置

4．1．2 实验条件

4．1．3 误差分析

4．2 热控性能的实验结果

4．2．1 室温条件下各参数对热控性能的影响

4．2．2 室外环境下的热控性能

4．3 扩热对热控性能影响的讨论分析

4．4 本章小结

第五章 各向异性热导率对局部热源相变热控特性的影响

5．1 模型介绍

5．1．1 物理模型

5．1．2 数学模型

5．2 计算结果与讨论

5．2．1 计算条件

5．2．2 不同热源面积下向异性热导率对热控性能的影响

5．2．2 分析及讨论

5．2．3 对热控工程的指导原则

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢