CN113099697B - 一种相变薄膜控温材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变薄膜控温材料，为三层结构，中间层为相变微胶囊薄膜，上下两层为高导热石墨膜。本发明提供的相变薄膜控温材料能够通过其高导热性能，强化相变薄膜的传热能力，搭配相变微胶囊，获得优异的热管理性能。该相变薄膜具备有良好的热导率和热稳定性，形态稳定，同时有较好的柔性。能够在微小型电子设备中使用，达到理想的热管理效果，有效提高电子元器件的使用寿命。

Description

一种相变薄膜控温材料
技术领域
本发明涉及相变材料技术领域，更具体地，涉及一种相变薄膜控温材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着5G信息技术的快速发展，电子器件趋于微型化和高功率化，电子产品体积不断缩小的同时电子器件的工作频率急剧提高，在工作中将产生大量的热量。局部热量集中问题和瞬时热量激增问题成为了电子技术发展需解决的一大难题。同时，由于内部空间的严格限制，传统的冷却方法如冷却管或风扇等都难以使用。为了解决上述问题，相变材料逐渐应用于电子设备的散热当中。
目前相变材料热管理主要运用在具有散热器或者PCM模块的电池组这样的大型设备当中。在基于PCM(Phase Change Material，相变材料)的冷却中，相变材料通过潜热的储存吸收热量并从电子器件中除去热量。在相变过程中，由于巨大的潜热容量，使可控器件的温度上升减小并保持一段时间。然而，直接使用PCM材料却存在着泄漏、传热效率低等问题。而相变材料微胶囊可以有效地解决上述缺点。通过无机壁材将相变材料进行封装形成微胶囊，能够有效提高相变材料的热导率和热稳定性。
考虑到电子设备的微型化和集成化，可以应用相变微胶囊材料制备相变材料薄膜。由于电子设备内部空间有限，因此对相变薄膜控温材料厚度要求也比较严格。所以制备的相变薄膜控温材料厚度能够弥补石墨膜和VC板的厚度无法覆盖的空白区间。相变材料薄膜能够在有限空间内，通过相变材料的高潜热，抗击一定的热流冲击。
因此需要相变薄膜控温材料，以满足高功率密度下、狭小空间内电子元器件被动散热的需求。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的高功率密度和紧凑空间环境下无法有效缓解电子元器件温度上升的缺陷，提供了一种相变材料薄膜，提供的相变薄膜控温材料可以满足微小型高功率的电子元器件被动散热的需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种相变薄膜控温材料，是三层结构，中间层为相变微胶囊薄膜，上下两层为高导热石墨膜。
作为优选的，在上述的相变薄膜控温材料中，所述粘附的石墨膜为高导热材料。
作为优选的，在上述的相变薄膜控温材料中，所述相变微胶囊薄膜为无机壳材和包裹于无机壳材内的相变材料。
作为优选的，在上述的相变薄膜控温材料中，所述无机壳材为膨胀石墨。
作为优选的，在上述的相变薄膜控温材料中，所述相变材料为烷烃类化合物或固态高级烷烃混合物。
作为优选的，在上述的相变薄膜控温材料中，所述相变微胶囊薄膜的材料为固-液相变材料。
上述相变薄膜控温材料的制备方法，包括如下步骤：以高导热石墨膜为衬底，相变微胶囊薄膜铺放在其之上，上面再覆盖一层高导热石墨膜，压力作用下，压制成均匀的相变薄膜控温材料。
本发明的相变薄膜控温材料中的高导热石墨膜能够增加平面方向的热传导，从而强化相变薄膜的导热能力，同时相变微胶囊的作用能够有效延缓电子元器件的温度上升，缓解热流的激增。相变材料薄膜能够极大程度利用相变微胶囊的相变储热能力，推进了相变微胶囊的实际应用。并且相变材料薄膜具有较高的柔性，大小可以根据电子元器件进行裁剪适配。在高功率密度下运行中，电子元器件将热量传递给相变微胶囊，相变微胶囊吸收热量后由固相转变为液相，使受控器件的温度上升减小并保持一段时间。在低功率密度或停止运行时，相变微胶囊凝固并释放热量，所释放的热量通过对流散热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的相变材料薄膜复合高导热石墨膜，有效提高相变材料薄膜在平面方向的热导率，从而有效提高相变微胶囊功能层的潜热利用率，获得优异的热管理能力。同时该相变材料薄膜具有较高柔性，上下粘附石墨膜，在相变过程中能够保护相变材料薄膜形态，相变时形态稳定。该相变材料薄膜具有良好的热导率和稳定性，宏观大小可以根据电子元器件调整，能够对内部空间紧凑型的电子设备和微小型电子元器件进行有效地热管理，提高电子设备和元器件的使用效率和寿命。
附图说明
图1为实施例1和实施例2中的相变薄膜控温材料样品图。
图2为实施例1和实施例2中的相变薄膜控温材料热管理测温点。
图3为实施例1的相变薄膜控温材料热电偶测试图。
图4为实施例2的相变薄膜控温材料热电偶测试图。
图5为实施例1的相变薄膜控温材料Cp测量图。
图6为实施例2的相变薄膜控温材料Cp测量图。
具体实施方式
实施例1：
一种相变薄膜控温材料，为三层结构，中间层为相变微胶囊薄膜，上下两层为高导热石墨膜。
制备相变薄膜控温材料：以高导热石墨膜为衬底，将0.544g正二十四烷相变微胶囊粉末放入内部面积为40*100mm模具内，微胶囊上部再覆盖高导热石墨膜，通过压片机加压，用辊轮辊压调节厚度，制成相变薄膜控温材料。
所得相变薄膜控温材料的相变微胶囊薄膜密度为0.744g/cm3，厚度为0.175mm。
实施例2：
一种相变薄膜控温材料，为三层结构，中间层为相变微胶囊薄膜，上下两层为高导热石墨膜。
制备相变薄膜控温材料：以高导热石墨膜为衬底，将0.552g正二十烷相变微胶囊粉末放入内部面积为40*100mm模具内，微胶囊上部再覆盖高导热石墨膜，通过压片机加压，之后再通过辊轮辊压调节厚度，制成相变材料薄膜。所得相变微胶囊薄膜的密度为0.732g/cm3，厚度为0.172mm。
性能测试：
1、模拟热管理测试
将制好的相变薄膜控温材料进行热管理测试，将制备好的相变薄膜控温材料放置在隔热板上，薄膜中心用导热硅脂黏贴10mm*10mm大小的加热片，薄膜上面覆盖有隔热棉，保证实验中环境参数保持一致，测量采用T型热电偶，其在相变材料薄膜的布置按照对角线法则。记录图二热源和A1、A2三点的温度变化。所有温度采集采用安捷伦34901A采集仪进行实时采集。
2、比热容的测量
采用德国Netzsch DSC-204F1型差式扫描量热仪测试相变材料薄膜的比热容Cp。由差示扫描量热仪根据以下公式获得：
Figure BDA0003016670940000051
测试结果：
实施例1的相变薄膜控温材料在1.20W功率下的温度曲线如图3所示。热管理模拟实验开始时薄膜以显热形式吸收热量温度上升。当A1点温度涨幅至36℃时，由于正二十四烷相变微胶囊内正二十四烷开始发生相变，升温曲线出现了延缓的趋势，从60s开始到210s截止，相变微胶囊薄膜由于相变使薄膜温度上升速度延缓，实现了热控制管理效果。210s后，温度达到46℃，薄膜相变功能层已经完全相变，之后继续以显热形式吸收热量，温度继续上升。相变薄膜中间与边缘温度差保持在4℃左右，整张相变微胶囊薄膜温度分布较为均匀，极大程度的将薄膜内的潜热利用。实施例1薄膜的比热容Cp变化值如图5所示，相变薄膜的Cp值在32℃时开始上升，43.4℃时达到最大值3.96584J/(g*K)，之后随着温度的上升，相变薄膜相变完全，此时的相变薄膜控温材料Cp值下降至1.3J/(g*K)左右。
实施例2的相变薄膜控温材料在1.10W功率下的温度曲线如图4所示。热管理模拟实验开始时薄膜温度先上升。当A3点温度上升至30℃时，正二十烷相变微胶囊中的正二十烷开始相变，温度增长发生了延缓，从70s开始到170s截止，由于相变材料的相变使相变薄膜温度的上升速度延缓，实现了热控管理。之后由于薄膜相变完成，薄膜以显热形式吸收热量，温度继续上升。实施例2薄膜的比热容Cp变化值如图6所示，相变薄膜的Cp值在32℃时开始上升，38.5℃时达到最大值3.34555J/(g*K)，之后随着温度的上升，相变薄膜相变完全，此时的相变薄膜控温材料Cp值下降至1.2J/(g*K)左右。

Claims (3)

1.一种相变薄膜控温材料，其特征是三层结构，中间层为相变微胶囊薄膜，上下两层为高导热石墨膜；
所述石墨膜为高导热材料；
所述相变微胶囊薄膜为无机壳材和包裹于无机壳材内的相变材料；
所述无机壳材为膨胀石墨；
所述相变材料为烷烃类化合物或固态高级烷烃混合物；
所述烷烃类化合物为脂肪烃、石蜡中的一种或多种；
所述相变微胶囊薄膜的材料为固-液相变材料。
2.权利要求1所述相变薄膜控温材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：以高导热石墨膜为衬底，相变微胶囊薄膜铺放在其之上，上面再覆盖一层高导热石墨膜；转移到压片机中，通过双辊机辊压，压制成均匀的相变薄膜控温材料，最后经过脱模框脱出。
3.权利要求1所述的相变薄膜控温材料在电子器件被动热管理中的应用。
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