用于恒温热管理的高潜热导热增强相变复合材料 | 碳材料大会|peg|填料|恒温|潜热|碳材料|聚合物

01 背景介绍

电子元器件在工作过程中会产生大量的热量，热量的积累很容易导致热失控。快速散热可以提高器件稳定性，延长器件寿命，因此有效的热管理对保证器件的最佳性能至关重要。在某些应用场景中，如可穿戴设备、医疗设备、锂离子电池和节能建筑等，要求整体温度在一定范围内保持恒定。例如，超声波探头的温度不应超过40°C，以避免灼伤皮肤，锂离子电池的温度应保持在20至60°C之间以获得更高的安全性和更好的性能。然而，单纯依靠热导率无法满足恒温热管理的需要。

相变材料 (PCM) 具有在恒温下加热-冷却循环过程中吸收和释放热量的固有能力。特别是有机相变材料，包括石蜡、脂肪酸、醇等，具有良好的温度调节性、高潜热、无过冷度和优异的化学稳定性的优点。然而，有机 PCM 在固液相变过程中容易发生泄漏，这可能导致性能下降和设备污染。目前可用的主要解决方案包括微胶囊封装、多孔载体吸附和直接聚合物混合。其中，微胶囊封装具有高潜热、高热稳定性的优点，及其复合材料被广泛研究用于电池热管理，可以降低组件温度，延长设备寿命，减缓电池性能下降，提高电池安全性。微胶囊通常以有机PCM为核心，以聚合物为壁，因此其K通常很低，导致吸热和放热速率较低。因此，开发高潜热导率的相变材料对于恒温热管理至关重要。

02 成果掠影

近日，北京理工大学张凯、河北工业大学邓齐波、天津理工大学赵云锋等团队合成了基于聚乙二醇 (PEG) 的交联聚氨酯网络来包裹 PCM 微胶囊。该复合材料在 38 °C 时具有较高的潜热 (152–164 J/g)。将具有高K的碳纤维 (CF) 和 Al 粉堆肥以提高 PCM 的热导率。掺杂 CF 后，K增加两倍，达到 0.306 W/mK。实验结果表明，掺入CF后PCM内部的传热效果明显改善，模拟结果进一步验证了这一点，复合材料在30天的循环测试中表现出优异的形状稳定性和潜热保持率（>92％）。这种导热性增强的PCM复合材料也可成型，可能在芯片、快速充电和电池等电子设备的热管理方面具有潜在的应用。研究成果以“Thermal conductive enhanced phase change composites with high latent-heat for constant temperature thermal management”为题发表在《Journal of Energy Storage》。