CN107254297A - 一种用于电子设备热控的柔性相变材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电子设备热控的柔性相变材料。所述柔性相变材料包括相变基体和支撑载体，所述支撑载体为弹性聚合物；将相变基体和支撑载体在一定温度下进行加热，待完全熔融混合后，置于温度高于相变温度的环境中，冷却压延制成。所述柔性相变材料在温度高于相变点时，能发生弹性的拉伸、弯曲、扭转等变形。在用于电子设备热控时，贴覆于产热部件表面或填充于扩热板和封装组件之间的缝隙，优良的柔性又使得所述相变材料具有热界面材料的性能而能够降低接触热阻。解决了电子设备热控过程中，常规相变材料过硬而引起的安装困难和接触热阻较大的问题，能极大地改善热控性能。

Description

一种用于电子设备热控的柔性相变材料

技术领域

本发明涉及相变材料的技术领域，具体涉及一种复合相变材料的制备技术和相变热控技术。

背景技术

随着航天、电子技术的发展，电子设备趋于高集成化和高功率化，器件产生的热量急剧增加，给电子设备的散热带来了极大挑战，尤其是电子设备越来越紧凑的结构对常规的冷却手段提出了空间的限制，使得电子设备的冷却更加困难。目前解决该问题的一种方法是采用高热导率界面材料，如导热粘胶、导热膏、相变型导热胶等。绝大多数的芯片散热主要先通过接触导热传出。随着工艺水平的不断提高，大功率器件内部热阻可降至 0.1~0.4℃/W 左右，而接触热阻甚至会高于器件热阻两倍以上。接触热阻阻碍器件散热，导致器件使用可靠性下降，严重时将导致器件烧毁。对于固固表面接触，因为材料表面处理工艺有限，使得众多的微突体存在于接触界面上，接触仅发生在一些离散点或微小面积上，其余的间隙部分为真空或被某些介质所填充（例如空气，水和导热硅油等等），而导致热阻较大。热界面材料在一定程度上降低了热量在器件内部的储存，但是相比于器件本身日益增加的产热功率，仍然无法有效降低器件温度。

相变热控技术是对产热部件实现温度控制的另一种有效手段。PCM在发生相变时，需要吸收或释放大量的潜热，而保持温度近似不变。将PCM用于电子设备中，能够吸收电子设备产生的热量而维持器件的温度在PCM相变点附近，从而能实现对电子设备的有效温控。

然而，现有定形相变材料的制备技术制备出的PCM在任意温度下都表现出较高的强度和硬度，在与受控电子设备进行安装配合时，极易发生破损、配合度差、接触热阻大的问题，这极大地降低了电子设备的热控性能，也是相变热控领域里亟待解决的问题。

常规复合定形有机相变材料制备技术之一是采用有机相变材料与聚合物熔融混合，之后在模具中冷却成型（Evaluation of thermal physical characteristics onshape stabilized paraffin as a solid-liquid phase change material，32（4）：307-312，Heat and Mass Transfer），该制备技术属于公知技术。在该技术中，相变基体材料如石蜡等，硬且易碎，力学性能差。相变载体聚合物一般采用聚烯烃，聚烯烃因与有机相变材料结构相似而呈现出良好的亲和性，同时，聚合物的分子结构因成三维网状形态而能阻止液态相变基体泄露。但现有制备技术中，采用的聚烯烃多为常规聚合物，如高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯等，此类聚合物的纤维取向度较低(< 95% )、分子链排布多为线性，无物理交联形态、晶相无法分离，因此不具有弹性，机械强度较大，与相变材料熔融混合制备而成的复合相变材料，宏观表现出的硬度较大，拉伸力学性能较差，拉伸时不经过屈服阶段直接断裂破坏。

由上可知，对于现有复合PCM，较大的强度与硬度，导致PCM延展性和抵抗变形能力较差，加工性能较差。在与结构特殊的器件安装时容易发生损坏，在进行切削、拉伸和压缩时容易发生脆性断裂，无法加工成薄膜，多加工成块状或条状。因此与受控部件的接触属于固固接触，存在表面接触热阻较高的问题，尤其对于不规则结构的器件来说，接触热阻是严重影响器件散热的问题。

弹性聚合物，是由晶态和非晶态基体交替共聚而制备出的聚合物，该类聚合物分子结构成物理交联网状形态，能实现相分离，力学性能上表现出弹性。将该类聚合物代替现有常规共聚物作为定形相变材料的载体，能够实现复合相变材料宏观上具有柔性的要求。

对于柔性相变材料，一方面，因为材料具有一定的柔性-屈服强度低，因此可塑性强，成膜率高；尤其能够在较低安装压力条件下，通过拉伸、压缩、扭转、弯曲等力学变形形式，最充分的填充与器件接触表面间的空隙，保证柔性相变材料与接触面间的接触热阻很小；同时该柔性相变材料厚度可达0.1mm量级，占用体积小，并且厚度减小造成的总的潜热热容量的损失由表面的扩展予以弥补，因此在应用于结构紧凑的电子设备热控时，能够在不牺牲设备空间和确保材料充足的相变潜热的前提下，通过在自身相态变化中吸收大量的潜热而实现对电子设备较长时间的温控。

发明内容

本发明提供一种能够实现电子设备热控的柔性相变材料；

所述柔性相变材料，相变温度为0℃～120℃；在低于112℃条件下具有化学稳定性；

所述柔性相变材料包括相变基体和支撑载体，所述支撑载体的熔点高于相变基体的相变温度；

所述柔性相变材料，在温度低于自身相变温度时，呈现出较大的刚性和硬度，当温度高于相变温度时，柔性相变材料呈现出柔性，并且柔性随着温度的升高而增加，当温度高于相变温度10℃以上时，柔性相变材料能发生任意角度的弯曲、折叠以及180°的扭转；

所述柔性相变材料在用于电子设备热控时，贴覆于产热部件表面，或填充于扩热板和封装组件之间；所述柔性相变材料由于较高的柔性而兼具热界面材料的特性，能极大地降低接触热阻。

进一步限定的技术方案如下：

所述支撑载体为弹性聚合物中的一种及以上。

所述的弹性聚合物，包括具有相分离特性的共聚物或热塑性弹性体。

所述具有相分离特性的共聚物为烯烃嵌段共聚物（OBC）。

所述热塑性弹性体为聚氨酯或热塑性聚己内酯。

所述柔性相变材料还包括导热增强剂，所述导热增强剂为碳材料颗粒或金属颗粒，导热增强剂的添加量小于相变基体和支撑材料总质量的10%。

所述碳材料颗粒包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维刷、膨胀石墨。

所述金属颗粒为铝颗粒、铜颗粒等，粒径范围为10nm～1mm。

制备用于电子设备热控的柔性相变材料的操作步骤如下：将相变基体和支撑载体在一定温度下进行加热，待完全熔融混合后，放置于温度比相变基体的相变温度的高出约10℃的环境中，进行冷却压延制成柔性相变材料；其中，相变基体和支撑载体的质量比为80～50:20～50。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明制备出全新的柔性相变材料，与在任意温度下总是呈现出高强度高硬度的常规定型相变材料不同，本发明所制备的相变材料，柔性随着温度的变化而变化。当温度低于相变温度时，所制备的材料呈现出高强度，当温度高于相变温度时，所制备的柔性相变材料由刚体转化为柔性体，并且材料的柔性随着温度的增加而增加。

2. 本发明提供了实现电子设备有效热控的新方法。电子设备的高度集成化使得自然冷却方法难以满足电子设备的冷却要求；强制冷却方式又极大地增加电子设备的使用空间和成本；而实施相变热控技术时，常规定型相变材料的高硬度又使得相变材料在与电子设备安装时容易发生破损和配合度差的问题。而本发明中的柔性相变材料能够实现与受控部件的良好配合，改善对电子设备的热控性能。

附图说明

图1为柔性相变材料制备技术中所采用的弹性支撑载体-烯烃嵌段共聚物的应力应变曲线图。

图2为按照本发明所述方法制备出来的柔性相变材料的不同变形形式（制备技术实施例1）。

图3为实施例1所制备的柔性相变材料应力应变测试曲线图。

图4为常规定形相变材料和柔性相变材料与硬质部件表面接触情况图。

图5为实施例1的柔性相变材料的热重变化曲线图。

图6为实施例1所制备的柔性相变材料在不同环境温度下的形态图。

图7为实施例2中石蜡/OBC-EG复合而成的柔性相变材料的相变温度和相变潜热测量结果图。

图8为所制备的柔性相变材料应用于电子设备热控的实施方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

制备十八烷基的柔性相变材料，具体操作步骤如下：

步骤（1），取150g十八烷和50g烯烃嵌段共聚物（OBC）；十八烷为相变基体，相变温度为26.2℃、相变潜热为201.6J/g；OBC为支撑载体。

步骤（2），将150g十八烷置于油浴釜体中在40℃下进行恒温加热，约30min，至完全融化；

步骤（3），加入50g OBC，温度170℃、搅拌器的转速设为30r/min条件下，边搅拌边加热30min，将两种物质搅拌均匀，至OBC完全融化，得到混合均匀的熔融态复合物。同时，将对相变材料进行表面处理的切刀和盛放熔融态复合物的模具分别置于50℃的铜板上进行预热。

步骤（4），将熔融态复合物，取出平铺在长方体模具中，用经过预热的切刀将表面处理平整，并将螺旋盖板与模具通过螺纹连接进行固定，固定之后将模具置于室温下进行冷却，得到十八烷基的柔性相变材料。

参见图1，烯烃嵌段共聚物（OBC）与常规聚合物不同，在拉应力高达4MPa时，仍处于线性变形阶段，对应应变为35.5%，弹性模量E为10～11.5%，证明OBC属于弹性聚合物。同时，该材料在应变率达1750%时，依然未发生局部颈缩现象，并且对应的应力高达11MPa，说明该支撑载体材料具有良好的延展性和较高的强度极限。

参见图2，为十八烷基的柔性相变材料，其可以轻易实现折叠（图2b）、大于90°的弯曲（图2c）、扭转（图2d）等变形形式，并且变形后能恢复原状（图2e），表明柔性相变材料具有优异的柔性。参见图3，由柔性相变材料的应力应变曲线图可知，该材料在拉伸初始阶段，线性变形范围，约为0~4%，弹性强度低，属于非弹性体；屈服强度约为1.25MPa，属于低屈服强度材料。由上述力学性能可知，该材料可塑性强（较高的超细加工和硬加工性能），在受外力的情况下，不需破坏内部结构，便可以实现各种形状的加工。

参见图4，为十八烷基的柔性相变材料和常规块状相变材料分别与硬质受控部件表面接触的微观形貌图。由图4a可知，常规相变材料由于表面加工技术的限制，表面粗糙度较大，存在一些突起和凹坑，与受控部件的固体表面接触时，两者之间存在较大的缝隙，并且间隙尺寸不均匀，最大尺寸在200多微米，使得两者之间的接触由固体热传导转化为空气的热传导和自然对流传热，由此造成接触热阻增加。图4b为柔性相变材料与固体表面接触情况。由图可知，柔性薄膜状相变材料的表面粗糙度较低，与固体表面之间的间隙明显降低，约在50微米以内，并且部分柔性材料通过自身的弯曲与扭转，能实现与固体表面的零间隙接触。由此可知，所制备的柔性相变材料能够减小表面接触热阻，避免为减小接触热阻而涂覆的导热油脂给电子设备带来污染和损坏。

参见图5，十八烷基的柔性相变材料在室温至112℃范围内，不发生分解，表明其化学稳定性好。

十八烷基的柔性相变材料在温度高于十八烷的熔点时，也能保持稳定的形状不发生泄漏，如图6a~图6c所示，直到温度达到112℃（OBC的熔点），相变材料才开始软化、向液态转化，如图6d所示。上述现象表明，OBC这一弹性载体不仅赋予了复合相变材料良好的柔性，而且对相变基体具有良好的封装作用，使其不发生泄漏而具有固定的形状，使柔性相变材料具有更广泛的应用。

实施例2

制备石蜡基的柔性相变材料的操作步骤如下：

步骤（1），取160g石蜡、40g烯烃嵌段共聚物（OBC）和6g膨胀石墨（EG01）。石蜡为相变基体，相变温度为52.6℃、相变潜热为210J/g；OBC为支撑载体； EG01为导热强化剂，粒径282um、膨胀550倍。EG01的用量为石蜡和OBC总质量的3%。

步骤（2），将160g石蜡置于油浴釜体中在60℃下进行恒温加热，约30min，至完全融化；

步骤（3），加入40g烯烃嵌段共聚物（OBC），温度设为170℃，搅拌器的转速设为30r/min，边搅拌边加热30min，将两种物质搅拌均匀，至OBC完全融化，得到混合均匀的石蜡和OBC的熔融态复合物。

步骤（4），加入6g膨胀石墨（EG01），并保持温度170℃、搅拌速度30r/min，边搅拌边加热30min，得到混合均匀的熔融态复合物。同时将切刀和模具分别置于60℃的铜板上进行预热。

步骤（5），将混合均匀的熔融态复合物取出，平铺在模具中，用经过预热的切刀将表面处理平整，并将螺旋盖板固定在模具上表面，通过调节盖板高度向下挤压模具中的熔融态复化物，挤压至特定高度时停止挤压，最后将模具置于室温下进行自然冷却，得到石蜡基的柔性相变材料。

图7为按照上述方法所制备的石蜡基的柔性相变材料的差示扫描量热仪的测量结果。由图可知，石蜡基的柔性相变材料具有明显的相变区，相变温度为52.4℃，相变潜热为126.9J/g，石蜡基的柔性相变材料具有稳定的相变温度和较高的相变潜热。

经过安特热物性测量仪发现，由于膨胀石墨的加入，石蜡基的柔性相变材料的热导率为1.68W/m·K，是未强化之前的5.56倍，表明导热强化剂的添加，对柔性相变材料的导热性能具有显著的强化效果。

实施例3

制备聚乙二醇基的柔性相变材料的操作步骤如下：

步骤（1），取140g聚乙二醇、60g聚氨酯和10g 碳纳米管。

聚乙二醇为相变基体，相对分子质量为10000，相变温度为67.18℃，相变潜热为187.3J/g；聚氨酯为支撑载体；聚乙二醇和聚氨酯的质量比为70:30。碳纳米管为导热强化剂，碳纳米管的型号为CNTS107，管径大于50nm，长度为10~20μm。

步骤（2），将140g聚乙二醇置于釜体中，在70℃下加热30min，至聚乙二醇完全融化；

步骤（3），加入60g聚氨酯，温度设为190℃，搅拌器的转速设为35r/min，开启真空泵，确保釜体保持真空度保持为0.03Mpa；边搅拌边加热40min，至聚氨酯完全融化，得到混合均匀的聚乙二醇和聚氨酯的熔融态复合物。

步骤（4），加入10g 碳纳米管，并保持190℃的温度、35r/min的搅拌速度和0.03Mpa的真空度，边搅拌边加热40min，得到混合均匀的熔融态复合物。同时将切刀和长方体模具分别置于80℃的铜板上进行预热。

步骤（5），将混合均匀的熔融态复合物，取出平铺在模具中，用切刀将表面处理平整，并将螺旋盖板固定在模具上表面，通过调节盖板高度至特定刻度时，停止挤压，最后将模具置于室温环境中进行自然冷却，得到聚乙二醇基的柔性相变材料。

实施例4：

制备聚乙二醇/聚氨酯-OBC复合而成的柔性相变材料的操作步骤如下：

步骤（1），取140g聚乙二醇、30g聚氨酯和30g OBC。

聚乙二醇为相变基体，聚氨酯和OBC共同作为支撑载体，相变基体和支撑载体的质量比为70:30；支撑载体中，聚氨酯和OBC的质量比为50:50。

步骤（2）与实施例3的步骤（2）相同；

步骤（3），加入30g聚氨酯和30g OBC，其他操作同实施例3的步骤（3）。

步骤（4），与实施例3中的步骤（5）相同，最终聚乙二醇/聚氨酯-OBC复合而成的柔性相变材料。

参见图8，将本发明中的柔性相变材料用于电子设备热控的实施方法说明如下：

受控部件（A1）为产热电子设备，属于面热源。柔性相变材料（A2）面积与封装器件（B2）相等，并置于B2与A1之间。其中所述的产热电子设备（A1）产生的热量通过导热传递至封装器件（B2），并通过封装器件与外界环境的自然对流而散失。所述的柔性相变材料（A2）沿封装器件（B2）的整个表面设置。其中所述的柔性相变材料是石蜡-OBC复合而成的柔性相变材料，相变点为52.4℃，相变潜热为128.1J/g。该柔性相变材料既具有石蜡高的潜热值又具有柔性材料所具备的柔韧性，能够在较低的安装压力下充分填充两接触表面之间的空隙，减小表面接触热阻，具备热界面材料的特性。当电子设备运行时，内部产生的大量热量首先传递至柔性相变材料，该柔性相变材料通过自身的相态变化能够吸收储存大量的潜热而保持电子设备表面温度不变，当柔性相变材料相变完成后，器件温度进一步上升。该热控装置，对于短时较大功率热源，或者脉冲式热源，具有最佳的热控效果。

Claims (9)

1.一种用于电子设备热控的柔性相变材料（PCM），其特征在于：所述柔性相变材料的相变温度为0℃～120℃；在低于112℃条件下具有化学稳定性；

所述柔性相变材料包括相变基体和支撑载体，所述支撑载体的熔点高于相变基体的相变温度；

所述柔性相变材料，当温度低于材料相变温度时，柔性相变材料呈现出较大的刚性和硬度，当温度高于相变温度时，柔性相变材料呈现出柔性，并且柔性随着温度的升高而增加，当温度高于相变温度10℃以上时，柔性相变材料能发生任意角度的弯曲、折叠以及180°的扭转；

所述柔性相变材料在用于电子设备热控时，贴覆于产热部件表面，或填充于扩热板和封装组件之间；所述柔性相变材料由于较高的柔性而兼具热界面材料的特性，能极大地降低接触热阻。

2.根据权利要求1所述的用于电子设备热控的柔性相变材料（PCM），其特征在于：所述支撑载体为弹性聚合物中的一种及以上。

3.根据权利要求2的用于电子设备热控的柔性相变材料，其特征在于：所述的弹性聚合物，包括具有相分离特性的共聚物或热塑性弹性体。

4.根据权利要求3的用于电子设备热控的柔性相变材料，其特征在于：所述具有相分离特性的共聚物为烯烃嵌段共聚物（OBC）。

5.根据权利要求3的用于电子设备热控的柔性相变材料，其特征在于：所述热塑性弹性体为聚氨酯或热塑性聚己内酯。

6.根据权利要求1所述的用于电子设备热控的柔性相变材料，其特征在于：所述柔性相变材料还包括导热增强剂，所述导热增强剂为碳材料颗粒或金属颗粒，导热增强剂的添加量小于相变基体和支撑材料总质量的10%。

7.根据权利要求6所述的用于电子设备热控的柔性相变材料，其特征在于：所述碳材料颗粒包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维刷、膨胀石墨。

8.根据权利要求6所述的用于电子设备热控的柔性相变材料，其特征在于：所述金属颗粒为铝颗粒、铜颗粒等，粒径范围为10nm～1mm。

9.制备根据权利要求1所述的用于电子设备热控的柔性相变材料的方法，其特征在于：将相变基体和支撑载体在一定温度下进行加热，待完全熔融混合后，放置于温度比相变基体的相变温度高出约10℃的环境中，进行表面处理，之后置于室温环境下冷却制成柔性相变材料；其中，相变基体和支撑载体的质量比为80～50:20～50。