一种用于电子器件热管理的柔性相变材料

来源 | Journal of Energy Chemistry

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背景介绍

随着电子设备小型化和集成化的蓬勃发展，用于高级计算的微处理器的功率密度急剧增加。电子设备产生的大量热量积聚在设备内部，例如集成电路。过热引起的温度升高会限制电子设备的工作适应性，导致频繁的故障甚至自燃。因此，开发提高散热效率的热管理材料具有重要的意义。

相变材料(Phase change materials, PCMs)作为一种高效的热管理材料，可以通过固-液相变过程吸收和释放热量。然而，PCMs存在漏液、导热系数低、刚性强等固有缺陷，严重制约了其进一步的实际应用。大多数PCMs都表现出脆性和易碎性。当用作散热器和加热元件之间的热界面材料(TIMs)时，这种现象会产生不可忽略的热阻，从而对电子器件的热管理效率产生不利影响。

柔性PCMs被认为是与物体接触且能够承受某些变形(例如，弯曲，拉伸和压缩)的材料。虽然目前的PCMs具有优异的形状稳定性和柔韧性，但由于难以加入导热填料，其导热性仍然有限。因此，当PCMs用作TIMs时，对灵活性和增强导热性的要求仍然具有挑战性。

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成果掠影

近期，西南交通大学王勇和祁晓东团队针对开发用于电子器件热管理的柔性导热相变材料取得最新进展。本文制备了聚二甲基硅氧烷/石蜡/氮化硼(PDMS/PW/BN)相变复合材料。首先通过刮削获得BN沿平面(x-y方向)的排列，然后通过热压缩和滚切诱导BN沿平面(z方向)排列。因此，PW被交联的PDMS/BN网络包裹，从而形成与天然木材相似的年轮结构。年轮结构有效地避免了PW的液体泄漏，从而显示出高达98%的高尺寸保留率。BN网络的垂直取向使PCM在BN负载为13.0 wt%时的通平面导热系数提高到2.16 W/mK，与PDMS/PW相比，显著提高了943%。通过触发PW的熔融结晶转变，pcm表现出可调谐的导热性。原位x射线衍射表明，BN网络重排发生在相变过程中。在实际工作芯片上和有限元仿真中，验证了PCMs具有良好的热管理能力。这项工作提出了一种经济有效的方法来生产具有优异导热性的柔性PCM，它有潜力用于先进电子产品的热管理。研究成果以“Tree-ring structured phase change materials with high through-plane thermal conductivity and flexibility for advanced thermal management”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。

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图文导读

图1.PDMS/PW/BN PCMs的制备工艺示意图。

图2. PCMs的微观结构以及树木年轮结构对比。

图3.复合材料在加热过程中的DSC曲线。

图4. (a) M40W60Bx复合材料在2 N恒压下加热过程中的尺寸保留率;(b)显示M40W60Bx在加热和压制过程中的封装效果的数码照片。

图5.复合材料的热管理性能。

图6. 复合材料的导热系数以及结构与形貌示意图。

图7. 复合材料的热管理性能测试。

图8.复合材料的有限元模拟示意图。

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