来源 | Journal of Energy Storage

链接 | https://doi.org/10.1016/j.est.2025.117895

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背景介绍

复合相变材料的热导率（λ）决定了复合相变材料对外部热量的响应速率，是芯片热管理的关键。传统的方法，如在相变材料中掺入导热填料，在提高λ方面的成功有限，这显著限制了其快速吸收和散失电子元件所产生的热量的能力。该缺陷使得相变温控装置无法及时响应热负荷的变化，从而损害热管理系统的稳定性与效率。因此，学界已开展大量研究旨在提升有机相变材料的导热系数（λ）。

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成果掠影

近日，西北工业大学陈妍慧教授团队提出一种结合物理共混与压缩成型的新策略，构建了具有隔离热传导路径的夹层结构CPCMs。上下层为膨胀石墨（EG）薄膜，中间层是由石墨烯纳米片（GnP）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装的正二十八烷。EG薄膜卓越的面内导热性确保了热量的快速扩散，从而降低过热风险。GnP包覆的正二十八烷颗粒在成型过程中构建出隔离网络结构，形成高效热传导通道。此外，GnP与EG薄膜之间的强界面结合减少了界面热阻，建立了连续无阻的热传导路径，显著增强传热效率。该结构使CPCMs的导热系数高达9.82 W/(m·K)，是纯正二十八烷（0.25 W/(m·K)）的39倍。该复合材料还表现出189.3 J/g的高相变潜热，以及优异的形状稳定性——30次热循环后熔融焓损失仅2.3%。在实验室芯片热管理系统中，CPCM将芯片工作温度范围（30℃至70℃）延长了239%，展现出卓越的热管理性能。本研究为制备高导热CPCMs提供了新思路，在先进芯片热管理领域具有重要应用前景。研究成果以“Boosted heat dissipation efficiency by sandwich structure containing the thermally conductive segregated network in phase change materials for advanced chip thermal management”为题发表《Journal of Energy Storage》上。

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图文导读

图1. CPCMs制备过程示意图。

图2.电子器件散热实验装置示意图。

图3.（a）EG、GNP、PCM、GNP/PCM、GNP/PCM/PDMS的XRD光谱和（b）FT-IR光谱。

图4.（a）EG的SEM图像;（B）和（c）不同放大倍数下的GNP的SEM图像;（d）GNP的AFM图像;（e）PCM的SEM图像;（f）GNP/ PCM的SEM图像;（g）PCM/PDMS的SEM图像;（h）GNP/PCM/PDMS混合物的SEM图像;（i）EGPE-0的SEM图像;（j）EGPPE-2的SEM图像，（k）EGPPE-2的中间层和上层的局部放大SEM图像，和（l）EGPPE-2的石墨膜的局部放大SEM图像。

图5. (a) DSC熔融曲线, (b) DSC结晶曲线, (c) 储能效率, (d) 导热系数, (e) 相变材料与复合相变材料的导热增强率(γ = (λ(CPCM) − λ(PCM)/λ(PCM) × 100%); (f) EGPE-2与其他文献[49–55]材料的储能效率与导热增强性能对比; (g) EGPE-0、EGPE-2和EGPPE-2的红外热成像图, (h) EGPE-0、EGPE-1、EGPE-2、EGPE-3、EGPE-4及EGPPE-2在50℃温台下底部温度与(i)顶部温度随时间变化曲线。

图6.（a）在80 ℃热平台上CPCM形状随时间变化的数字图片;在老化烘箱中多次热循环后EGPPE-2的数字图片（b）和泄漏率（c）; 30次热循环后EGPPE-2的DSC曲线（d）、红外曲线（e）和XRD曲线（f）。

图7.芯片表面温度随时间的变化（Chip、Chip-1、Chip-2、Chip-3分别表示没有CPCM的芯片、具有EGPE-0、EGPE-2和EGPPE-2的芯片）。（a）加热过程中的温度变化，（b）冷却过程中的温度变化，（c）加热过程中K1和K2热电偶测量Chip-3时记录的温度和时间曲线，（d）和（e）CPCM中具有和不具有石墨膜的芯片的热管理模拟结果。