摘 要：
相变控温是通过改变材料的相态来提供恒温潜热的散热技术，在电子元器件热控中具有良好的应用前景。介绍 了相变材料（Phase change material，简称 PCM）的分类和电子散热用 PCM 的选择原则、以及相变控温技术的原理， 综述了 PCM 在电子散热领域的应用、PCM 热性能改进、相变散热装置设计以及相变散热数值分析的研究进展，展望 指出了相变控温技术在电子元器件热控中应用研究的技术瓶颈和重点方向。
关键词：相变材料 蓄热 电子散热 控温
随着电子信息及自动化技术的快速发展，电子元器件的使用率和集成度越来越高。近些年电子元器件也越来越向高集成度和大功率的方向发展，而体积却逐渐缩小，导致热流密度增大，电子设备因过热而失效的问题也越来越突出。
研究表明芯片温度始终维持在较高水平，将降低电子元件的使用寿命，甚至可能导致元件失效，电子元件的寿命随着温度的升高呈指数衰减。AnithambigaiP等研究表明，当芯片结温超过特定限值时，芯片温度每升高2℃，其可靠性下降10%。据美国宇航局统计，由于温度原因造成的电子失效率占55%。
针对电子元件散热问题，目前采用的措施主要有风冷、液冷、热电制冷和热管制冷等方式。风冷散热结构简单，但该过程热量转移较为缓慢，风扇转动时会产生噪声。液冷直接对器件进行冷却是一种效率更高的降温方式，是风冷散热的几十倍，但系统结构复杂，通常需要水泵等相应的配套设备。热电制冷无需冷源，具有体积小、易安装、直流驱动无污染和低噪声等诸多优点，但其加工成本高及对应用环境的要求较高。热管制冷因其高导热率的特性被广泛应用于传热元件，但仍会存在黏性限制等诸多不利。因此开发新的电子元件散热方式将成为电子元器件热管理的重点关注方向。
相变控温是通过改变材料的相态来提供恒温潜热的新型散热技术，利用相变材料相变时产生的巨大恒温潜热来维持电子元件温度在相变温度附近。相变材料具有高度的可塑性，可使其与被散热元件外形进行匹配，有效增大散热面积，此外，相变温控还具有结构紧凑、性能可靠、经济节能等优点。基于这些特性，相变控温被广泛应用于电子元件散热中。
1 相变材料的分类及选用
1.1 相变材料的分类
相变材料热物性决定着相变蓄热装置的热性能，如图1所示，PCM的分类有多种形式。按相变形式可分为：固-液、固-固、固-汽和液-汽相变4种。按相变温区可分为：低温(tpc<100℃)、中温(100<tpc<400℃)和高温相变材料(tpc>400℃)。按化学成分可分为：有机类、无机类和复合型相变材料。有机相变材料主要包括石蜡、烷烃、醇类、脂肪酸等，一般不容易发生过冷结晶现象，制作成本较低，缺点是导热系数较低，相变时体积变化较大；无机相变材料主要包括一些水合无机盐，特点是恒温潜热值和导热系数大，缺点是性能不稳定，过冷现象严重；复合型相变材料主要包括一些共晶混合物和聚合物，是通过两种及以上的材料组合制成，导热系数高，但工艺相对复杂，相变稳定性差。
1.2相变材料的选用
在电子元器件散热应用中，为达到较好的散热效果及经济效益，相变材料的选择方面一般应考虑材料的相变温度、潜热、导热率、稳定性、性价比等多个方面。筛选PCM应遵循以下原则，热性质方面：高潜热值、大导热系数、相变温度适宜；物理性质方面：相稳定性好、密度大、体积变化小、蒸汽压力低；化学性质方面：化学稳定性良好、无毒、无腐蚀性、不易燃易爆；动力特性方面：合适的结晶化率、无明显过冷现象；经济性方面：成本低、易制取。
但是，在实际电子元件散热应用中，满足以上所有条件的PCM基本上是不存在的。因此，电子元器件热管理用PCM的选择中，首先需要考虑的参考参数是材料的相变温度和相变潜热，然后再根据其他因素综合考虑PCM的选择。
2 相变控温技术原理
相变储能材料是通过改变相变材料的相态时提供恒温潜热的材料。由于相变材料的高可塑性和性能稳定性等优点，将相变控温技术应用到电子元器件散热中可以有效提高电子设备的热管理效率，强化元器件散热能力。在相变控温式电子元件散热设备中，由于不同类型电子设备工作周期不同，电子设备发热过程有所不同，根据电子设备的发热特性可以分为短时高发热设备和间歇性发热设备。短时高发热电子设备是通过相变材料在特定温度下发生相态变化释放的大量潜热来实现控温的目的，因相变控温过程近似于恒温，可以使电子设备工作温度在一定时间内维持在较低的水平，延迟设备达到最大高温度的时间；在电子设备停止工作后，设备冷却，当温度下降到PCM相变温度以下时，PCM从液态恢复到固态释放热量，为下次工作做好准备。对于间歇性发热设备或波动温度下工作的电子设备，设备工作时PCM由固态向液态转变，吸收设备逸散热量，确保电子元件工作温度维持在一个较低的水平；当电子设备温度处于发热间歇期或温度低于相变温度时，PCM由液态向固态转变释放热量，维持电子设备温度在某温度以上，防止温度过低。相变材料的相变温度应略低于电子元器件的许用温度，相变散热技术的原理图如图2所示。
3 相变材料在电子散热中的研究进展
目前相变控温技术在电子元器件热管理上的应用研究已取得巨大进步，近年来相变散热技术的研究范围主要集中在相变控温技术应用研究、相变材料热性能研究、相变散热装置研究以及相变散热数值分析研究等方面。
3.1 相变控温技术应用研究
早在1976年，Keville等就将2-丁酮和正庚烷的混合物作相变材料应用到人造卫星的散热设计之中，研究相变蓄热被动散热的方式对卫星散热特性的影响，结果表明，PCM相变散热系统能够满足太阳能辐射板的基本散热需求，证实了相变散热技术是一种比较可靠的电子散热方式。
日前，小米推出首款全相变散热手机小米11 Ultra，采用有机烃材料与陶瓷微颗粒结合，在主板核心区升温的过程中，原本是固体的导热垫进行固液气三态变化，吸收主板散发热量，并由于高导热陶瓷为颗粒的存在，使其导热性能提高100%，使主板的工作温度维持在较低的水平，延长元器件和手机的使用寿命。
Lin等将十八烷相变微胶囊与微机电系统电路基板的散热相结合，把不同比例的十八烷相变微胶囊放置在两散热板之间，对其散热特性进行实验，结果表明，相较于不含相变微胶囊的基板，添加含40%十八烷相变微胶囊的基板能将到达恒温板恒温时间延迟40min，符合微机电系统散热要求。
程勇等将镓合金相变材料应用到激光器的温控中，将其与体积更大的风冷肋片散热器进行了比较，结果表明，激光器设备在高温环境下可正常工作的时间延长6倍，制冷系统能耗降低54%，散热系统的体积减小47%。
Alawadhi等将相变材料应用于电子元器件控温系统之中，对比有无相变散热系统时芯片升温情况，结果表明，在结合相变控温系统之后，大大降低了芯片的升温速率，同时芯片的峰值温度也比没有相变材料时的散热系统降低了13.7%以上。
Tan等设计一种用于电子元器件散热的储能单元装置，以一种烷烃作为相变材料，利用相变材料相变潜热值储存电子元器件散发的热量，实验结果表明，在相变材料的恒温特性作用下能够长时间保持芯片在50℃左右的低温工况。
3.2 相变材料热性能研究
相变材料因其大潜热量具有大规模商业开发的价值，但相变材料本身的导热性能和稳定性很差，为克服这些缺陷，许多研究者对相变材料进行了大量的性能改良实验。其中包括添加高导热介质法和微胶囊封装法等方法。
王子晨等在锂电池散热研究时，将泡沫铝添加到石蜡中用于增强石蜡材料的导热系数，在与纯石蜡相变材料散热效果进行对比时发现，添加泡沫铝之后的PCM内部温度更加均匀，相变响应速度更快，具有比单介质石蜡PCM更优的散热性能。
王瑞杰等针对航天器对低温相变材料的热控需求，对相变材料的性能改良展开了大量研究，主要围绕PCM微胶囊封装和导热率增强技术进行实验分析，结果表明，微胶囊封装后的相变材料在机械稳定性和挥发性上都有较大提升，同时，高导热材料的添加提高了PCM的导热能力，更符合航天器相变散热需求。
但刘芳等研究在研究泡沫金属-石蜡复合相变材料的传热特性时发现，在加入泡沫金属之后，复合石蜡材料的导热系数增加熔化速率加快，同时发现随着孔隙率变小其导热能力进一步加强，但蓄冷装置的总蓄热量减小。因此在实际应用中，应综合考虑石蜡填充量、换热速率与蓄冷能力之间关系。
3.3 相变控温装置研究
PCM封装对PCM的储存和应用至关重要，有效的封装能够防止PCM的泄漏或挥发，同时避免PCM泄露造成的散热装置性能降低和电子元件损坏。因此，相变控温装置的结构设计对PCM的稳定性、利用效率和传热性能等具有至关重要的作用。
Godbole等开发了一种电子散热器，散热器采用带翅片冷凝管的相变散热器封装实验表明，具有相变储能功能的PCM可以加快循环过程，散热性能好，而且由于PCM可塑性强，散热装置尺寸可变，可适用于大多数电子设备的散热。
乔宪武等设计了一种具有中空结构的散热装置，在散热装置中添加石蜡/纳米颗粒的复合相变材料作填充料，在被散热元件工作时，利用PCM的大潜热值和高导热性吸收和传递热源逸散热量，实验表明，相变控温装置的散热效果良好。
王晓元等设计了一种具备二次散热能力的新型的相变平板热管散热装置，元件工作时，先进行一次相变散热再进行二次翅片散热，并对单个发热功耗为1000W的模块进行了研究，结果表明，采用相变控温情况下，不同模块下散热器基板的温差最大为6.4℃，散热器的整体温度分布比较均匀，符合电子元件散热要求。
3.4 相变控温数值方法应用研究
随着ANSYS、COMSOL、FLOTHERM、ICEPAK等热仿真软件的开发及功能强化，数值分析方法已经成为相变控温技术研究和设计的一种重要方式，数值分析的方法也被广泛应用到散热设计结果分析与优化。
郭志强等利用有限元仿真软件对PCM的溶解过程进行了数值模拟分析，通过对导热系数等多个方面性能进行模拟与实验的对比，验证了有限元分析方法的准确性。
张立明等将石蜡与硬脂酸丁酯合成制备了一种复合相变材料，在初始温度35℃条件下通过有限元的方法模拟了材料温度变化，对比实验结果发现，数值分析结果与实验结果具有高度的一致性。
Yusuke等利用有限元的方法，分析了将一种石蜡相变微胶囊应用到移动设备热管理上研究PCM质量和PCM厚度对移动设备温度场的影响，发现通过增加PCM质量和PCM板厚度能有效降低移动设备的升温速度，同时PCM板厚度增加对相变时间影响较小，为相变微胶囊在移动设备上应用提供参考。
黄芳等利用数值模拟的方法，分析了一种石蜡复合相变材料在电子器件散热系统中的散热特性，结果表明，散热器散热性能的提成程度与纳米填料的填充量成近似线性的关系，为纳米强化相变材料在电子器件热管理系统上的应用潜力评估提供参考。
4 结论与展望
相变控温技术作为一种新型散热技术，已被广泛应用与电子散热领域。目前，国内外学者对于相变控温技术已经从相变材料的选择、应用到材料热性能改进、散热装置设计进行了大量研究，证实了相变散热技术在电子元件散热应用中具有巨大潜力，同时相变材料在精密电子元器件中散热设计实验条件较难实现，数值分析方法的出现也大大提高相变散热设计效率。但目前相变传热理论方面的研究仍处于初期阶段，对于相变传热问题目前只获得了极少的精确解，有限元方法在电子元器件热设计中的模型精度也存在一定误差，因此，大力提升仿真建模精度和强化热仿真软件的对应功能，将成为提高相变散热设计效率和推动相变控温技术在电子元器件热控中应用的技术瓶颈和重点研究方向。
作者：范振得 陈武 蒋爱国 刘艳（上海海事大学 商船学院）
