相變材料儲能的案例
十篇綜述告訴你 相變材料的三大應(yīng)用場景
【相變材料的綜述】
相變材料（phase change material，簡稱PCM），是指在物質(zhì)發(fā)生相變時，可吸收或釋放大量能量（即相變焓）的一類材料。由于相變材料是利用潛熱儲能，儲熱密度大，蓄熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，并且在相變過程中本身溫度基本不變，易于管理，隨著全球節(jié)能意識的提高，相變材料的這一特性引起了研究人員的重視，相變儲熱技術(shù)在儲能領(lǐng)域越來越大放異彩。
一、相變材料的篩選原則
相變材料種類很多，依照不同分類方法可以被分為很多種。例如，按照相變方式不同分類，可以分為固—固相變材料、固—液相變材料和固—?dú)庀嘧?em>材料；按照材料種類分，可分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料[1]。生活中最常見的相變材料是水，早在數(shù)千年前，古人就懂得利用水的相變過程來進(jìn)行實(shí)物保鮮或制冷。
雖然相變材料有很多種，但并不是所有相變材料都可被利用。目前公認(rèn)的相變材料篩選原則如下[2]：
（1）相變溫度在實(shí)際應(yīng)用操作范圍內(nèi)。
（2）潛熱儲存能力高。
（3）導(dǎo)熱率高。
（4）穩(wěn)定的化學(xué)和熱性能。
（5）無毒，無腐蝕性，對環(huán)境無害。
（6）成本低，易于獲得。
（7）相變過程中體積變化小。
（8）不發(fā)生過冷現(xiàn)象或過冷度很小。目前大多用的是固—液相變材料，由于相的改變，通常要對相變材料進(jìn)行封裝以防泄露。
二、相變材料在太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用
目前，太陽能系統(tǒng)基本步入家家戶戶，但是也存在一些缺點(diǎn)，如：太陽能利用是間歇性的，夜晚不可用。將相變材料應(yīng)用到太陽能系統(tǒng)，可以保證在沒有太陽輻射的情況下也可以應(yīng)用太陽能。相變材料可以應(yīng)用在太陽能熱電廠、太陽能空氣加熱器、太陽能熱水器、太陽能海水淡化器、太陽能炊具等等領(lǐng)域。[3]以下圖為例，該裝置主要包括三部分：a）太陽能系統(tǒng)單元，b）雙重管道熱能存儲器（TES），以及c）儲水箱。
展開 用于熱管理和儲能系統(tǒng)的微封裝相變材料（EPCM）
封裝相變材料（EPCM）由于其吸收和釋放大量熱量的能力，在與冷卻和加熱相關(guān)的各個領(lǐng)域，特別是在熱能存儲領(lǐng)域中受到了極大的關(guān)注。
02
成果掠影
近期，沙迦美國大學(xué)Mohammad O. Hamdan研究團(tuán)隊(duì)通過將相變材料封裝在保護(hù)殼中，EPCM可以克服相變過程中的泄漏問題，并可以提高PCM的熱穩(wěn)定性、可靠性和性能。此外，EPCM還可以定制以滿足特定的應(yīng)用要求，例如不同的熔點(diǎn)和導(dǎo)熱率。該篇綜述全面概述了 EPCM，包括用于封裝的殼材料、封裝方法、EPCM 特性和熱性能、商用 EPCM，以及最新的研究、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)分析以及各種用于分析EPCM行為的數(shù)值模型，為后續(xù)儲能和熱管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了重要指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以“A review on micro-encapsulated phase change materials (EPCM) used for thermal management and energy storage systems: Fundamentals, materials synthesis and applications”為題發(fā)表于《Journal of Energy Storage》。
展開 一種用于熱管理和紅外隱身STA-EGaIn基相變氣凝膠
來源 | Small
01
背景介紹
相變材料(Phase Change Materials, PCMs)作為能量儲存和轉(zhuǎn)換材料，不僅可以在相變過程中吸收和釋放潛熱，還可以通過可控的潛熱吸收和釋放來調(diào)節(jié)目標(biāo)物周圍的溫度。因此，PCM在熱管理和溫度調(diào)節(jié)方面具有潛在的應(yīng)用前景。雖然PCM在熱能利用和熱管理領(lǐng)域具有很大的潛力，但大多數(shù)PCM光熱轉(zhuǎn)換性能較差，限制了PCM的太陽能利用效率。因此，探索具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的相變材料至關(guān)重要。
研究人員在 PCM中加入了光熱轉(zhuǎn)換材料來增強(qiáng)其吸收陽光的性能，以獲得良好的光熱相變儲能性能。鎵銦合金(EGaIn)作為一種液態(tài)金屬，因其流動性強(qiáng)、電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性好，在柔性可穿戴電子產(chǎn)品、熱界面材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，基于EGaIn的光熱相變儲能材料的報道很少，主要是由于EGaIn的儲能性能較低。因此，同時提高EGaIn的光熱轉(zhuǎn)換和儲能性能，對于拓寬EGaIn在光熱相變儲能領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義。在之前的工作中，硬脂酸-鎵銦合金（STA-EGaln）TA-EGaIn作為一種有機(jī)相變儲能材料，由于相變過程中固有的液體泄漏，其大規(guī)模應(yīng)用受到限制。因此，克服光熱相變儲能系統(tǒng)的泄漏是至關(guān)重要的。
多孔支架與 PCM相結(jié)合是防止相變過程中泄漏的有效方法。在之前發(fā)表的研究中，多孔支架在防止相變材料泄漏方面取得了優(yōu)異的效果。但這些多孔支架的不可生物降解性會對環(huán)境造成負(fù)面影響，因此許多研究人員將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了基于生物質(zhì)材料的支架。然而，有機(jī)PCMs的導(dǎo)熱性差也極大地限制了纖維素/有機(jī)PCMs復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。
展開 大連化物所史全研究員團(tuán)隊(duì)CEJ：研發(fā)出柔性復(fù)合相變材料膜并應(yīng)用于可穿戴光-熱管理器件
近日，中科院大連化物所熱化學(xué)研究組（DNL1903）史全研究員團(tuán)隊(duì)在柔性相變材料研究方面取得新進(jìn)展，通過簡單易行的策略合成了石墨烯基的復(fù)合相變材料膜，并將其應(yīng)用于可穿戴的光-熱管理器件。該復(fù)合相變材料膜具有優(yōu)異的柔韌性、儲熱能力、光熱轉(zhuǎn)化能力，為智能可穿戴光-熱管理器件的研究提供了新思路。
相變儲能材料能夠在相對恒定的溫度下吸收和釋放大量相變潛熱，目前廣泛應(yīng)用于熱能儲存和溫度控制的熱管理領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)相變材料本身固有的液態(tài)泄漏、弱吸光能力以及固態(tài)剛性使其在可穿戴的智能光-熱轉(zhuǎn)化器件研究中極具挑戰(zhàn)性。
針對該問題，史全研究員團(tuán)隊(duì)以聚合物和石墨烯為原料合成了具有優(yōu)異柔韌性的復(fù)合石墨烯膜，并將相變材料復(fù)合其中得到柔性的復(fù)合相變材料膜。該復(fù)合相變材料膜具有優(yōu)秀的形狀穩(wěn)定性，即使在高于相變溫度時仍然保持固態(tài)而不發(fā)生泄漏；同時，該復(fù)合相變材料膜具有高相變材料負(fù)載量，表現(xiàn)出優(yōu)異的儲熱能力，即使經(jīng)過500個熱循環(huán)和彎曲循環(huán)仍然保持穩(wěn)定；此外，該復(fù)合相變材料膜具有出色的光-熱轉(zhuǎn)化能力，可迅速將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能儲存，轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)96%。研究人員進(jìn)一步將該復(fù)合相變材料膜貼到人體模型表面，結(jié)果表明在彎曲狀態(tài)其仍然表現(xiàn)出穩(wěn)定的光-熱轉(zhuǎn)化性能。該復(fù)合相變材料膜表現(xiàn)出可應(yīng)用于人體可穿戴光-熱管理領(lǐng)域的潛力，為可穿戴智能織物的開發(fā)提供了新的方向。
展開 
材料性能例如：彈性模量，隨坐標(biāo)或時間或空間變化系列2-相變、潛熱、材料成分變化
<p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201805/1526958274444_blob.png" alt="blob.png"></p><p>本文是緊接上個帖子的內(nèi)容，對usdfld子程序采用了另外一種編寫方法，并且對應(yīng)力和應(yīng)變的結(jié)果進(jìn)行了對</p><p>比，兩者結(jié)果完全一致，這表明兩種不同的編寫方法都是正確的，而且達(dá)到了非常一致的結(jié)果，本貼的內(nèi)容將為模量隨坐標(biāo)的模擬提供另一種新的思路，具有很重要的指導(dǎo)意義。</p><p>ABAQUS斷裂模擬收徒 ，保證快速學(xué)會各種ABAQUS斷裂模擬方法 1200/人（將享有各種插件以及程序，價值3000+、專門定制視頻、全程親自教學(xué)、各種模型調(diào)試及解答問題等等，傾囊相教）</p>
展開 Sci.經(jīng)典綜述：第一性原理計算材料設(shè)計用于鋰離子電池中的儲能材料
4.2 納米尺寸效應(yīng)
轉(zhuǎn)換電極中納米尺寸效應(yīng)的第一原理研究受到幾個主要障礙的阻礙：（1）有限的計算能力，一個2 nm的Pt顆粒含有250個原子，這已經(jīng)是一種高度密集的計算，首次放電后會出現(xiàn)1-5 nm的金屬顆粒；（2）必須建立一種方法用于模擬具有極端化學(xué)異質(zhì)性的復(fù)雜氧化物/氧化物/氟氧化物納米復(fù)合材料；（3）轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的傳輸性能和相變機(jī)理目前在實(shí)驗(yàn)或計算上都還不太清楚。
圖17 使用計算了九個方向的表面能的Wulff形狀的LiFePO4，右側(cè)的色標(biāo)欄給出了表面的能量標(biāo)度，單位是J m-2
4.3 界面效應(yīng)
在M/Liz/yX（M=過渡金屬，X=O或F）納米復(fù)合材料發(fā)生的相關(guān)界面效應(yīng)可以通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)獲得。在低壓下，鋰離子被儲存在氧化物的界面?zhèn)龋娮游挥诮饘賯?cè)，這樣可導(dǎo)致電荷分離（具有高倍率性能的偽電容行為），而這種新型附加鋰儲存的界面機(jī)理依賴于所存在的納米顆粒。對于理解納米復(fù)合電極中的界面效應(yīng)用于開發(fā)新型儲能材料至關(guān)重要，并且從頭算（ab initio）將會在此發(fā)揮關(guān)鍵作用。
【小結(jié)】
本文介紹了第一性原理計算如何加速搜尋可用于鋰電池的儲能電極材料。必須開發(fā)具有高能量、高功率、良好安全性和更長的循環(huán)壽命的新型電極材料，用以滿足日益增長的儲能需求，尤其是在運(yùn)輸過程中的應(yīng)用。盡管第一性原理計算已經(jīng)成為了設(shè)計新電極材料用于鋰離子電池中的一種不可或缺的工具，然而更重要的是，需清醒地認(rèn)識到仍有很多關(guān)于第一性原理計算的挑戰(zhàn)丞待解決。
展開 材料性能例如：彈性模量，隨坐標(biāo)或時間或空間變化系列1-相變、潛熱、材料成分變化 ￥299
<p>材料的彈性模量有時候隨坐標(biāo)是變化的，例如梯度涂層等，這個時候就需要借助子程序來實(shí)現(xiàn)了，下面是成功的模型結(jié)果</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201805/1526905570330_blob.png" alt="blob.png" height="266" width="673"></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201805/1526905796063_blob.png" alt="blob.png" height="336" width="335">模量隨y坐標(biāo)變化的模型的狀態(tài)變量</p><p>無梯度代表著均勻模量模型，有梯度代表模量從下到上隨y坐標(biāo)變化（如果想讓它隨x坐標(biāo)也變化，可以修改程序，很簡單）</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201805/1526905703702_blob.png" alt="blob.png"></p><p>模量隨y坐標(biāo)成拋物線變化，底端固定，上面施加拉伸載荷</p><p>結(jié)果分析：</p><p>1 狀態(tài)變量值的大小代表了模量的大小（程序中設(shè)置E與狀態(tài)變量是線性關(guān)系），從狀態(tài)變量的云圖結(jié)果可以看出，底端模量最小，SDV2值最小，隨著y增加，開始增加很慢，然后增加速率增大，頂端的SDV2值最大，由此可知，模量隨y拋物線變化程序是沒有問題的；</p><p>2 從y反向的彈性應(yīng)變也可以看出：對于均勻的彈性模量模型，因?yàn)榭傮w模量都是200GPa，所以相同的拉伸載荷之后，y方向的彈性應(yīng)變更大，這也印證了程序的正確性；</p><p>以下打包文件中包含源程序和例子：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload
展開 相變過程材料的熱導(dǎo)率
熱導(dǎo)率是材料的基本物理屬性之一，在很多領(lǐng)域起著重要甚至決定性的作用。具有高熱導(dǎo)率的材料常在散熱方面用途廣泛，而具有低熱導(dǎo)率的材料則主要應(yīng)用于隔熱領(lǐng)域。熱導(dǎo)率的定義以及測量均需要絕熱條件，即材料和環(huán)境之間無能量交換，熱量只能沿著材料從高溫傳導(dǎo)至低溫。目前材料熱導(dǎo)率的測試技術(shù)已相當(dāng)成熟，特別針對塊體材料，熱導(dǎo)率相關(guān)參數(shù)的測量均已有國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，以及成熟的商用儀器。
相變是很多材料具有的一項(xiàng)特性。相變材料在固態(tài)存儲、光電開關(guān)、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。眾所周知，發(fā)生相變時，材料和環(huán)境之間存在顯著的能量交換，會與熱量的傳遞強(qiáng)烈耦合。因此，材料相變過程中熱導(dǎo)率的理解和測量顯然不同于絕熱條件下的情形，是一個未知而又非常基礎(chǔ)和重要的科學(xué)問題。對該問題的研究有望帶給人們新的認(rèn)識并推動相關(guān)的應(yīng)用。
特別在現(xiàn)階段，針對材料相變過程中的熱導(dǎo)率，出現(xiàn)了很多不一致甚至完全相對立的理解和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，Cu2S、Ag2S等具有一級相變，其電性能在相變時不存在拐點(diǎn)，很平滑地從低溫相變化至高溫相，但它們的熱導(dǎo)率卻出現(xiàn)了反常的拐點(diǎn)，在相變時低于低溫相和高溫相的數(shù)值；即使對具有二級相變的Cu2Se，采用直接測量的熱容值和杜隆珀替Dulong-Petit理論熱容值分別計算得到的熱導(dǎo)率，在相變區(qū)域具有截然相反的變化趨勢。
展開 材料性能例如：彈性模量，隨坐標(biāo)或時間或空間變化系列3（圓柱坐標(biāo)系）-相變、潛熱、材料成分變化
<p>有的時候我們需要材料模量隨坐標(biāo)變化來形成梯度變化的材料，前面已經(jīng)介紹了材料的模量在總體坐標(biāo)系（直角坐標(biāo)系）下隨xy坐標(biāo)的變化，但是在某些特殊情況下，我們需要材料環(huán)向均勻，徑向漸變，這在很多工程研究中都是常見的，下面我們?nèi)匀唤柚暗淖映绦颍淖兙帉戇^程，實(shí)現(xiàn)模量在圓柱坐標(biāo)系下的改變，下面給出例子。</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/201806/1528006192252_1.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/201806/1528006192252_1.jpg?image_process=/format,webp" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/201806/1528006192252_1.jpg?
展開 有機(jī)相變材料（PCM）應(yīng)用于海水淡化的數(shù)值仿真模型 ￥1500
有機(jī)相變材料（PCM）的低熔點(diǎn)使其成為存儲太陽能的理想選擇。然而，有機(jī)PCM弱光熱、導(dǎo)熱性能嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。研究表明，向有機(jī)PCM中添加納米顆粒可以有效改善其光熱性能，但許多納米顆粒成本高昂，難以合成，且加入納米顆粒后，有機(jī)PCM潛熱下降顯著。由于NTP最初是在海水淡化中提出的，尚未引入PCM，本案例將有機(jī)相變材料PCM應(yīng)用于海水淡化中，建立了一二維幾何模型，如圖1所示。
圖1 幾何模型
模擬得到PCM作用下的海水淡化過程中的溫度場、速度場、相對濕度場以及PCM材料中的液相率的變化，仿真結(jié)果如下圖所示。
圖2 溫度場變化
圖3 速度場變化
圖4 相對濕度場變化
圖5 PCM液相率變化
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
展開 一種用于熱管理的柔性相變薄膜材料
相變材料(PCMs)可以通過改變自身的物理狀態(tài)來儲存或釋放熱能，并在一定時間內(nèi)保持溫度恒定，它們已被用作電池?zé)峁芾砘驘崾Э匾种频挠行Чぞ摺Ｈ欢琍CM熱管理不可避免的問題是它的泄漏問題。
為了解決這一問題，提出了多種制備形狀穩(wěn)定的復(fù)合相變材料的方法。然而，這些復(fù)合PCM在固態(tài)下通常是剛性的，不能很好地貼合在熱器件表面，增加了界面熱阻和安裝難度。然而，目前使用的PCM在實(shí)際應(yīng)用中，由于其固有的剛性、易脆性破壞和不可回收性，導(dǎo)致其相互接觸不良、熱接觸電阻高、使用壽命短。為了克服這些問題是目前研究的重點(diǎn)方向之一。
02
成果掠影
近期，中國科學(xué)院大連物理化學(xué)研究所史全教授在開發(fā)具有柔性的熱管理相變材料取得新的成果。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有高轉(zhuǎn)變焓的柔性自愈相變膜，該相變膜具有較高的儲能密度、良好的柔韌性和自愈能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在98.7℃的相變溫度下，相變膜具有優(yōu)異的彈性，相變焓高達(dá)191.5 J/g。值得注意的是，由于氫鍵的可逆性，柔性相變膜具有良好的自修復(fù)能力，其自修復(fù)效率高達(dá)91.1%。此外，還將相變膜附著在加熱平臺表面，以評估其在熱管理方面的潛力。該柔性自愈相變膜在不同升溫速率下均能保持高效的熱管理能力，具有發(fā)展先進(jìn)熱管理技術(shù)的巨大潛力。研究成果以“Flexible self-healing phase change film with high transition enthalpy for thermal management ”為題發(fā)表于《Journal of Energy Storage》。
展開 
一種用于鋰離子電池?zé)峁芾淼?em>相變材料
相變材料 (PCM) 是 TES 的重要候選材料，因?yàn)樗?em>相變過程中具有高潛熱和窄的溫度波動。然而，導(dǎo)熱系數(shù)低和形狀穩(wěn)定性差嚴(yán)重阻礙了相變材料的大規(guī)模應(yīng)用。將多孔碳質(zhì)材料和相變材料集成形成形狀穩(wěn)定的復(fù)合相變材料（ss-CPCM），為這一挑戰(zhàn)提供了一種適用、簡便且簡單的解決方案，這歸因于碳的優(yōu)異性能，包括高導(dǎo)熱性，比表面積大，與各種相變材料具有良好的化學(xué)相容性。因此，CPCM 在 TES 以及熱管理方面顯示出巨大的潛力，例如電子設(shè)備和電化學(xué)儲能系統(tǒng)。對于電化學(xué)儲能的熱管理系統(tǒng)，研究人員進(jìn)行了大量的探索，并通過實(shí)驗(yàn)和模擬提出了各種解決方案。
碳納米管（CNT）作為碳的重要同素異形體，具有長圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑為一至數(shù)十納米，長度為幾微米至幾厘米。在過去的幾十年里，碳納米管在相變材料領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力，為相變材料所面臨的各種挑戰(zhàn)提供了有效的解決方案，例如導(dǎo)熱系數(shù)低、形狀穩(wěn)定性差、光穩(wěn)定性差等。為了進(jìn)一步提高CPCM的性能，人們提出并不斷探索改性碳納米管。
02
成果掠影
近期，西安交通大學(xué)王秋旺教授團(tuán)隊(duì)基于金屬有機(jī)框架（MOF）制備了高度取向的含氮碳納米管（N-CNT）。然后以所合成的N-CNT為支撐材料、二十二烷為功能材料制備了N-CNT/二十二烷復(fù)合PCM（CPCM）。結(jié)果表明，通過與 N-CNT 結(jié)合，二十二烷的形狀穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。CPCM 擁有導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.5286 W·m
-1·k
-1。此外，CPCM在20次熔化-冷凍循環(huán)后表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能，具有超高的潛熱保留率（熔化過程為99.95％，冷凍過程為99.94％）。在充放電循環(huán)性能測試中，采用CPCM薄膜后，鋰離子電池的最高溫度降低了約2℃。
展開 氣凝膠相變隱身復(fù)合材料！
量子阱、電致變色染料、相變材料等能夠動態(tài)調(diào)控紅外輻射，然而，在調(diào)諧過程中通常需要持續(xù)耗電，且響應(yīng)速度慢、可調(diào)范圍窄、柔韌性差。此外，通過調(diào)控溫度可實(shí)現(xiàn)紅外隱身，然而隔熱毯等材料一般都比較厚重，易導(dǎo)致熱量積聚。可見，有效地隱藏目標(biāo)，使其對熱紅外探測器不可見仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)制備了一種具有高孔隙率（ 98% ）和高比表面積（ 365.99 m 2 /g ）的柔性氣凝膠薄膜，通過溶解杜邦 TM 的 Kevlar 獲得納米纖維溶膠，再經(jīng)刮刀涂布、溶膠 - 凝膠及后續(xù)的冷凍干燥過程獲得 Kevlar 氣凝膠薄膜。該氣凝膠具有優(yōu)異的隔熱性能，室溫環(huán)境下，熱導(dǎo)率約為 0.036 W/m K ， 200μm 厚的氣凝膠薄膜覆蓋在 300°C 的熱源上，氣凝膠表面溫度僅為 220°C ，溫差達(dá)到了 80°C 。 與 相變材料聚乙二醇復(fù)合并進(jìn)行疏水化處理，制備出氣凝膠 / 相變復(fù)合薄膜，該相變復(fù)合薄膜：（ 1 ）相變焓高達(dá) 179.1 J/g ；（ 2 ）紅外發(fā)射率與多數(shù)環(huán)境背景匹配；（ 3 ）在 3μm-15 μm 紅外波段具有超低紅外透過率。在室外環(huán)境（如光照）下，用該復(fù)合薄膜覆蓋無發(fā)熱物體，可實(shí)現(xiàn)紅外隱身。對持續(xù)發(fā)熱物體（比如發(fā)動機(jī)），提出了氣凝膠隔熱層與相變復(fù)合薄膜疊加的組合結(jié)構(gòu)： Kevlar 氣凝膠薄膜具有優(yōu)異的隔熱性能，根據(jù)目標(biāo)與環(huán)境之間的溫度差異，選擇合適層數(shù)或者厚度的氣凝膠層，可將溫度降低至與環(huán)境溫度匹配；相變復(fù)合薄膜具有低紅外透過率，高溫目標(biāo)發(fā)射的紅外光無法透過。因而覆蓋這種組合結(jié)構(gòu)的高溫目標(biāo)在紅外照片中也能實(shí)現(xiàn)紅外隱身。
根據(jù)使用場景，選用匹配的氣凝膠 / 相變復(fù)合薄膜，或者組合結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)紅外隱身，如圖 1 所示。
展開 一種用于電子器件熱管理的相變復(fù)合材料
因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品主要由堅硬的材料制成，由于堅硬和粗糙的界面之間的點(diǎn)接觸，不能與散熱器產(chǎn)生完美的接觸。因此，需要低壓應(yīng)力、耐久性好、高垂直導(dǎo)熱系數(shù)的熱界面材料（TIM）來填充粗糙表面之間的空隙。
石墨烯、碳納米管和碳纖維等微米級或納米級碳材料的引入是提高 TIM 導(dǎo)熱系數(shù)的最常用方法之一，因?yàn)樗鼈兙哂谐叩墓逃袩釋?dǎo)率。熱導(dǎo)率增強(qiáng)主要取決于填料填充量、界面熱阻和填料形態(tài)，包括尺寸、厚度、縱橫比和排列方向。通常，具有高縱橫比、納米級厚度和超過滲透閾值的填充物會促進(jìn)熱導(dǎo)率的增強(qiáng)。
然而，隨機(jī)分散的填料會導(dǎo)致有限的熱導(dǎo)率，由于不連續(xù)的導(dǎo)熱通路導(dǎo)致強(qiáng)烈的聲子散射，無法滿足一般操作要求。為了克服這一缺陷并充分利用高熱導(dǎo)率的碳基填料，它們通常通過電場/磁場輔助定向、剪切誘導(dǎo)排列等構(gòu)建有序的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。然而，由于填料之間的離散接觸，熱阻仍然過高。
相變材料（PCM）多年來一直用于許多領(lǐng)域，包括電子和建筑中的儲能和熱管理。通常，基于 PCM 的 TIM 由基質(zhì)和熱填料組成。在相變溫度下，PCM基體會從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱能并充分潤濕粗糙表面以減少接觸熱阻，因此，開發(fā)出具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率以及柔性的導(dǎo)熱復(fù)合相變材料對于電子器件的進(jìn)一步發(fā)展有著重要作用。
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成果掠影
近期北京大學(xué)白樹林教授團(tuán)隊(duì)在設(shè)計制備導(dǎo)熱相變復(fù)合材料方面取得新進(jìn)展。在本文中提出了一種通過結(jié)合有序排列的碳纖維CF和丙烯基彈性體(POE)包裹石蠟(PA)來制備具有高潛熱和低壓縮應(yīng)力的相變復(fù)合材料的策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過高導(dǎo)熱碳纖維束 (CF) 和聚合物相變材料的組合制備了具有超高熱導(dǎo)率（高達(dá)168.4 W/(mK)）和優(yōu)異柔性的熱界面材料（PCMs）。
展開 一種用于電子器件熱管理的柔性相變材料
因此，開發(fā)提高散熱效率的熱管理材料具有重要的意義。
相變材料(Phase change materials, PCMs)作為一種高效的熱管理材料，可以通過固-液相變過程吸收和釋放熱量。然而，PCMs存在漏液、導(dǎo)熱系數(shù)低、剛性強(qiáng)等固有缺陷，嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。大多數(shù)PCMs都表現(xiàn)出脆性和易碎性。當(dāng)用作散熱器和加熱元件之間的熱界面材料(TIMs)時，這種現(xiàn)象會產(chǎn)生不可忽略的熱阻，從而對電子器件的熱管理效率產(chǎn)生不利影響。
柔性PCMs被認(rèn)為是與物體接觸且能夠承受某些變形(例如，彎曲，拉伸和壓縮)的材料。雖然目前的PCMs具有優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性和柔韌性，但由于難以加入導(dǎo)熱填料，其導(dǎo)熱性仍然有限。因此，當(dāng)PCMs用作TIMs時，對靈活性和增強(qiáng)導(dǎo)熱性的要求仍然具有挑戰(zhàn)性。
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成果掠影
近期，西南交通大學(xué)王勇和祁曉東團(tuán)隊(duì)針對開發(fā)用于電子器件熱管理的柔性導(dǎo)熱相變材料取得最新進(jìn)展。本文制備了聚二甲基硅氧烷/石蠟/氮化硼(PDMS/PW/BN)相變復(fù)合材料。首先通過刮削獲得BN沿平面(x-y方向)的排列，然后通過熱壓縮和滾切誘導(dǎo)BN沿平面(z方向)排列。因此，PW被交聯(lián)的PDMS/BN網(wǎng)絡(luò)包裹，從而形成與天然木材相似的年輪結(jié)構(gòu)。年輪結(jié)構(gòu)有效地避免了PW的液體泄漏，從而顯示出高達(dá)98%的高尺寸保留率。BN網(wǎng)絡(luò)的垂直取向使PCM在BN負(fù)載為13.0 wt%時的通平面導(dǎo)熱系數(shù)提高到2.16 W/mK，與PDMS/PW相比，顯著提高了943%。通過觸發(fā)PW的熔融結(jié)晶轉(zhuǎn)變，pcm表現(xiàn)出可調(diào)諧的導(dǎo)熱性。原位x射線衍射表明，BN網(wǎng)絡(luò)重排發(fā)生在相變過程中。在實(shí)際工作芯片上和有限元仿真中，驗(yàn)證了PCMs具有良好的熱管理能力。
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