相变材料（Phase Change Material, PCM）是一类能够通过物态转变吸收或释放大量热量的功能材料（具体可看下方视频）。它们在固-液或液-气相变过程中具有显著的潜热效应，能够实现热量的存储与释放，因而在热管理领域表现出独特的优势。基于其优异的储能与控温性能，相变材料在建筑蓄热、太阳能热利用、电子设备散热等多个领域得到了广泛关注。

相变材料随温度变化而改变形态

然而，传统相变材料由于热导率偏低，常导致热量传递效率受限，从而影响其在高性能场景中的实际应用。为了突破这一瓶颈，提高相变材料的热导率已成为研究和应用中的重要方向之一。

为什么要提高相变材料热导率？

以锂电池为例，作为近年来最突出的新能源技术之一，锂电池凭借高能量密度、大容量和长寿命等优势，在新能源汽车领域得到广泛应用。其中，电池热管理系统作为电池模组的重要组成部分，对提升性能起到关键作用。

电动汽车锂电池

锂电池的理想工作温度为15℃到40℃。当温度超过40℃，内部副反应加剧，导致热量积累，进而缩短电池寿命，甚至引发热失控。单个电池热失控还可能扩散到整个电池组，导致严重后果。此外，温度不均匀性会导致充放电和电化学行为分布不均，损害电池性能和寿命。因此，开发高效经济的电池热管理系统成为重要课题。

目前，电池热管理系统分为主动冷却和被动冷却两类，其中被动冷却依赖材料特性，如热管冷却和相变材料（PCM）冷却。PCM在相变过程中能吸收或释放热量，同时保持温度恒定。通过合理设计，PCM不仅可散热，还能缓冲热量。其优势包括成本效益高、操作简便、空间需求低以及均匀温度控制等，使其在锂电池热管理中展现良好应用前景。

相变材料电池热管理系统结构

不过相变材料在实际中的应用依然面临一定的限制。这主要由于相变材料的热导率通常偏低，导致在相变冷却过程中热传递效率不高，意味着实际能够参与相变过程的材料部分有限，大大降低了实际使用效能这一点在很大程度上限制了相变冷却技术在电池热管理中的应用范围。因此，提升相变材料的热传导效率已成为近年来研究的重点。

提高相变材料传热效率的方法

为了进一步提升传热效率，可以通过优化相变材料的应用方式以及微观结构设计来实现，具体如下。

1、提高相变材料的传热面积

PCM的主要缺点是其热导率低，这限制了它们在电池热管理系统中的应用，特别是在快速充电条件下。这一限制可以通过使用扩展表面，如散热翅片，来增加热传递面积来解决（如下图）。

散热片轴向径向分布方式

以圆柱形电池为例，散热片沿轴向和径向排列，分别称为纵向散热片和径向散热片。散热片材料必须具有高热导率以降低热阻，高比热容以确保单位体积的高储热水平，低密度以确保单位质量的高储热水平。鉴于此，广泛使用铜和铝作为散热片材料。

2、提高相变材料的热导率

有机相变材料自身热导率较低，一般在0.2W/mk左右，为提高相变复合材料热导率，最直接且便捷的方法是添加纳米材料增强导热，如金属填料、陶瓷填料等。除此之外也可以通过与石墨烯等导热材料复合的形式提高热导率。

①添加纳米材料增强导热

增强相变材料导热率的一种方法是在储热系统中使用纳米材料或者高导热材料，例如纳米颗粒（铜、氧化铜、铝、二氧化硅等）、纳米片、纳米线、纳米管、和纳米纤维等。

以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成新的强化传热介质。纳米流体导热系数增大的原因，一是固体颗粒的加入改变了基础液体的结构，增强了混合物内部的能量传递过程，使得导热系数增大；二是纳米粒子的小尺寸效应，使得粒子与液体间有微对流现象存在，这种微对流增强了粒子与液体间的能量传递过程，增大了纳米流体的导热系数。

②导热材料复合

将高导热材料与相变材料进行复合是提高相变材料导热的另一种方法，最常见的是利用石墨、石墨烯、碳纤维等与相变材料进行复合。

l 碳纤维

碳纤维具有导热系数高（约为10~140W/mK）、比重小、高张力、高弹性和热膨胀系数等优点，能与绝大多数相变材料相容，耐腐蚀能力较强，且纤维直径很小，有利于在材料中均匀布置，作为强化传热物质一直备受研究者关注。

碳纤维复合相变材料

l 膨胀石墨

膨胀石墨是以鳞片石墨为原料采用特殊工艺，使鳞片石墨沿层间方向膨化而成的产物。它既保留了天然鳞片石墨的导热性好、无毒害等优良性质，又具有天然鳞片石墨所没有的吸附性、生态环境协调性以及生物相容性等特征。

相变材料石蜡复合膨胀石墨

小结：虽然直接添加导热填料提升热导率的方式简便简单，对填料的要求较少，但是很难大幅度提高复合材料的热导率。热导率的提升与填料的添加量成正比，然而过量地加入导热填料虽然能提升热导率，却会减少相变材料的含量，降低相变复合材料的储热能力。

另外，纳米颗粒在相变过程中容易发生团聚，这不利于复合材料内部的热传递均匀性，可能导致热传导效率的不一致。而且这种随机分散的结构往往会存在泄漏的问题。因此制备高导热的相变复合材料仍然具有较大的挑战，也是其在实际应用中的主要技术瓶颈。

相变材料的其他重要应用

目前PCM 已用于多种应用，包括建筑物蓄热、太阳能热能和空调。此外在电子工业中，PCM还可被用作热界面材料(TIM)来改善处理器、显卡和芯片等部件的散热。

TIM是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要作用是填补两种材料接合或接触时表面产生的微空隙及凹凸不平的孔洞，减少热传递的阻抗，提高散热性。相变热界面材料兼具导热垫片和导热膏的双重优势：

l 在相变温度以下，具有良好的弹性和塑性，便于填充界面空隙；

l 在相变温度以上，材料发生相变为液态，高效润湿界面，显著降低热阻。

此外，PCM 在相变过程中可通过吸收或释放热量，提供额外的能量缓冲，缓解器件温度快速上升，有助于延长使用寿命。

TIM相变材料（来源：shinetsu）

而与传统TIM相比，PCM 具备以下优势：

l 高储热能力：在相变之前吸收大量热量，维持稳定的散热性能；

l 高效散热：通过改变相态快速传递热能；

l 长寿命：多次热循环后性能稳定，降低更换频率；

l 环保：采用无毒材料，对环境友好。

可以说，PCM 的应用能为电子设备提供了一种高效、可靠且环保的散热解决方案，尤其适用于性能要求严苛的现代电子产品。

资料来源：

1、韦诗涵.高导热相变复合材料的制备及电池热管理应用研究[D].浙江大学,2024.DOI:10.27461/d.cnki.gzjdx.2024.000745.

2、其他网络资料。

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