一种非均匀复合相变材料的结构与制备方法

本发明属于石蜡复合材料相变领域，特别是一种非均匀复合相变材料的结构与制备方法。

背景技术：

1、随着电子设备及其功能需求的快速发展，周期性、脉冲型等间歇式工作的电子设备被越来越多应用到了航空航天、通讯、电力电子、武器装备等领域，如电动汽车的动力电池、激光器件、igbt(绝热栅双极型晶体管)器件等，这类电子器件工作时热流密度较高，但工作时间通常较短。对于这类器件如果采用传统的散热方式如风冷散热、液冷散热，则需按照器件最大功率进行散热设计，这将影响散热器自身运行的经济性，造成资源的浪费。另外，对于一些特殊环境工作的电子器件，比如弹载电子设备由于其特殊的工作环境，热沉资源极为有限，难以采用风冷和液冷。因此，需要一种更加高效可靠的散热技术。

2、相变储热技术由于具有储热密度大、工作性能稳定、相变过程中温度变化小、系统简单等优点，因此基于相变储热的控温技术被认为是间歇式工作电子设备较为有效的散热方法。但目前相变热沉在实际应用中仍然存在较多问题，首先目前大多数相变材料的导热系数较低，热响应较慢，难以应用于高热流密度器件控温；另一方面相变材料存在封装泄露问题，尤其固-液相变材料，在相变过程中由于液体的流动性和体积变化，使得相变装置经常发生泄漏，影响器件正常工作。目前，基于相变储热的控温技术已逐渐成为电子设备热控制的研究热点之一。

3、石蜡作为一种潜热型热储能材料，有着低成本、稳定、高储能密度、无毒和无腐蚀性的优点，被当作储能材料广泛使用。但是石蜡相变材料同时也存在一些缺点，例如相变过程中固液体积差异较大，容易发生液相的泄露，以及导热系数相对较低，这限制了石蜡相变材料的大规模应用，因此开发高导热相变材料具有重大价值。膨胀石墨由于其与有机相变材料出色的浸润性，比表面积大，导热性能好，而作为最佳的基体材料。

4、目前，对膨胀石墨石蜡复合材料的研究相当之多，但是都存在一个共同的问题：随着膨胀石墨添加量的增加，复合材料的导热系数大幅度提升，相变潜热值大幅度下降，并不能实现在提高导热系数的同时，拥有较高的相变潜热值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种非均匀复合相变材料的结构与制备方法，以提高复合相变材料导热系数的同时，并提供相变潜热值。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种非均匀复合相变材料的结构，包括十字结构的导热骨架层，设置在导热骨架层上下端的热扩展层，填充在导热骨架层四周的填充部分；

4、所述导热骨架层、热扩展层均由质量占比为10％～20％的膨胀石墨和质量占比为90％～80％的石蜡组成；

5、所述填充部分由纯石蜡或质量占比为2％～8％的膨胀石墨和质量占比为98％～92％的石蜡组成。

6、非均匀复合相变材料的结构，其特征在于，所述导热骨架层、热扩展层均由质量占比为16％的膨胀石墨和质量占比为84％的石蜡组成；

7、所述填充部分由质量占比为8％的膨胀石墨和质量占比为92％的石蜡组成。

8、一种非均匀复合相变材料的结构的制备方法，包括：

9、s1、将膨胀石墨和石蜡混合；

10、s2、测试膨胀石墨质量分数比是2％～20％的膨胀石墨石蜡复合材料的导热系数与相变潜热值，确定热扩展层、导热骨架和填充部分分别使用何种比例范围内的膨胀石墨石蜡复合相变材料；

11、s3、通过有限元仿真软件对非均匀膨胀石墨石蜡复合相变材料不同尺寸搭配下的热扩展层、导热骨架和填充部分进行计算，得到不同尺寸热扩展层、导热骨架和填充部分组合下的非均匀膨胀石墨石蜡复合相变材料的理论导热系数与相变潜热值；

12、s4、冷压得到定形热扩展层、导热骨架和填充部分；

13、s5、将所得定形热扩展层、导热骨架和填充部分放入模具中冷压成一体，得到非均匀复合相变材料。

14、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

15、(1)通过添加膨胀石墨，能够有效提高相变材料的导热性能，同时防止相变材料的泄露。

16、(2)通过构建导热骨架，能够实现替代传统金属肋片的作用，能够有效减小系统整体的质量。

17、(3)通过添加热扩展层，能够有效提高材料在面内的导热性能，提高材料的均温性。

18、(4)通过非均匀复合材料结构设计，能够实现高导热系数与高相变潜热值的共存。

技术特征：

1.一种非均匀复合相变材料的结构，其特征在于，包括十字结构的导热骨架层，设置在导热骨架层上下端的热扩展层，填充在导热骨架层四周的填充部分；

2.根据权利要求1所述的非均匀复合相变材料的结构，其特征在于，所述导热骨架层、热扩展层均由质量占比为16％的膨胀石墨和质量占比为84％的石蜡组成；

3.一种非均匀复合相变材料的结构的制备方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的非均匀复合相变材料的结构的制备方法，其特征在于，所述导热骨架层、热扩展层均由质量占比为10％～20％的膨胀石墨和质量占比为90％～80％的石蜡组成；

5.根据权利要求3所述的非均匀复合相变材料的结构的制备方法，其特征在于，步骤s1中将石蜡与膨胀石墨采用真空浸渗的方法混合。

6.根据权利要求5所述的非均匀复合相变材料的结构的制备方法，其特征在于，步骤s1中真空浸渗的加热温度为75℃，加热时间为1小时。

7.根据权利要求3所述的非均匀复合相变材料的结构的制备方法，其特征在于，热扩展层的厚度为0.1～1mm，尺寸为10*10mm2。

8.根据权利要求3所述的非均匀复合相变材料的结构的制备方法，其特征在于，步骤s4中热扩展层和导热骨架压缩成形的压力为4mpa，压制时间为15-20分钟。

技术总结本发明公开了一种非均匀复合相变材料的结构与制备方法，相变材料的结构包括热扩展层、导热骨架和填充部分。相变材料包括石蜡和膨胀石墨。所述的填充部分为低比例膨胀石墨与纯石蜡的复合材料，其中膨胀石墨和纯石蜡的质量份数比是0～10∶90～100。所述的热扩展层和导热骨架为高比例膨胀石墨与纯石蜡的复合材料，其中膨胀石墨和纯石蜡的质量份数比是10～20∶80～90。本发明的非均匀膨胀石墨石蜡复合相变材料，具有导热性能强、相变潜热值高和热稳定性好等特点，在中低温储热领域应用前景广阔。技术研发人员：殷二帅,王侃宁,李强受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4