电子电器设备的高效散热是现代传热技术的主要应用之一。随着电子及通讯技术的迅速发展，高性能芯片和大规模集成电路的使用越来越广泛。电子器件芯片的功率不断增大，而体积却逐渐缩小，并且大多数电子芯片的待机发热量低而运行时发热量大，瞬间温升快，抗热冲击和散热问题已成为电子技术发展的瓶颈^{[1, 2]}。传统依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法难以满足许多电子器件的散热要求，此外，许多电子系统需要承受内部和外部的瞬态热负荷作用，尤其在系统经受突变的功率密度时，工作温度骤变以及温度梯度的存在极易造成电子器件的疲劳破坏。因此，必须研究和开发新的瞬态热管理手段，以适应具有间歇发热特性或处于波动温度环境下的工作场合^{[3, 4]}。

相变温控就是利用相变材料(phase change material, PCM)的相变过程储存或释放热量，从而实现对物体的温度控制。对于具有间歇发热特性或处于波动温度环境下的电子设备，将相变材料与传统电子器件散热技术相结合，可以有效控制电子设备的温升及温度梯度^[5]。相变温控因具有结构紧凑、性能可靠、经济节能等优点，早在20世纪60年代就被应用到航空航天电子设备温控上^{[6, 7]}。近年来，随着各种便携式电子设备向小型化、高集成化方向发展，相变温控又被应用到这些电子设备的温控上，这方面的应用研究逐渐成为温控领域的一个研究热点^[8~10]。在温控应用中，为防止熔化时液相流失(固-液相变型PCM)或升华时气相损失(固-固相变型PCM)，需要采用一定外形的容器进行封装，并添加一定量的导热增强体(填料)以增大相变材料的导热性，而开发具有优越热性能的热适应复合相变材料^{[11, 12]}是相变温控技术一个重要的发展方向。

本文以膨胀石墨作为无机支撑材料、石蜡作为有机相变材料，制备出热适应复合相变材料和储热材料器件，并应用于电子器件散热装置，构建了基于相变温控的电子器件散热模拟实验系统，研究相变温控方式对电子器件散热及抗热冲击的性能影响规律。

根据电子器件散热技术领域对热适应复合材料的性能(密度、相变温度、储热密度等)要求，选取热导率高且密度低的膨胀石墨作为无机支撑材料，石蜡作为有机相变材料，利用石蜡与膨胀石墨间的固-液表面张力、孔隙结构的毛细作用力以及膨胀石墨的多孔结构和非极性等特性，将两者在90 C的水浴环境中共混吸附，通过调控混和比(以质量计量)及吸附时间，制备出具有不同吸附量(即不同热导率和储热密度)的复合相变材料。采用XL30FEG型扫描电镜(荷兰Philips公司)、DSC2910型差示扫描量热仪(美国TA公司)、Axio Lab.A1型偏光显微镜(德国ZEISS公司)和TPS2500型热常数分析仪(瑞典Hot Disk公司)等多种测试技术，对复合相变材料进行了分析研究；通过储/放热实验和1000次热循环实验研究了复合相变材料的传热性能和热稳定性，具体结果可参阅文献^[13]。对于应用在电子散热方面的热适应复合材料的选择，应该综合考虑材料的热导率、相变潜热、密度及热稳定性等因素。在保证材料具有良好的热稳定性能的前提下，所选用的复合材料必须具有合适的热导率以及较高的体积相变潜热。当膨胀石墨添加量为25%时，复合相变材料具有优越的综合性能，其热导率可达5.21 W·m^-1·K^-1，相比于纯石蜡提高了15.8倍，相变潜热为149.3 kJ·kg^-1。同时作为载体的膨胀石墨起到了很好的吸附定形作用，相变过程中液态石蜡不会从微孔结构内渗透出来，并具有良好的热稳定性和使用寿命，满足电子器件散热技术领域对热适应复合材料的性能要求。

实验系统是以台式电脑的机箱作为主体框架，利用部分废弃的电子元器件改装而成，主要包括散热器、储热器件、热管、模拟芯片(微型可控功率电热器)以及温度测量系统(Agilent 34970A数据采集仪)。实验装置中，采用微型可控功率电热器来模拟微处理器芯片的发热，在模拟芯片的下方再放置一个均匀埋设了3根热电偶的铜片。储热器件通过热管与散热器连接，本实验采用两根同等规格的热管，其直径为6 mm，长100 mm，将热管一端约30 mm置于储热器件的中间位置，另一端集成于散热器机体，散热器与模拟芯片直接接触。模拟芯片与热管、散热器之间用导热硅脂粘合，以提高其间的结合度，改善换热情况。实验装置的结构如图 1所示：

图 1(Fig. 1)

图 1 实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup 1. experimental cabinet 2. power supply 3. hollow part 4. printed circuit board 5. heat sink 6. simulative chip 7. base 8. heat pipe 9. heat storage unit

为探悉高换热系数的相变过程与传统电子散热器的导热和空气自然对流换热过程相结合的传热现象，分析热适应复合相变材料对电子器件散热性能及抗热冲击性能的影响规律，更好地对比散热效果与抗热冲击性能，实验散热器中不安装常规电子温控方法中常用的强制散热风扇。实验主要分为两部分进行：

(1) 对比实验。测定在传统散热模式下，不同瞬时波动功率(开/关脉冲功率模式、高/低脉冲功率模式、正弦变化功率模式)条件下模拟芯片的表面温度随时间的变化规律。

(2) 基于热适应复合材料的电子器件散热测试实验(相变温控)。按照石蜡质量百分含量为75%的比例制备热适应复合相变材料，相变潜热为149.3 kJ·kg^-1，热导率为5.21 W·m^-1·K^-1[13]，封装在50 mm×60 mm×100 mm的铝质容器中制作成复合相变储热材料器件，与热管组合应用于电子器件散热装置，给定不同的波动功率条件，测定模拟芯片及复合相变材料的温度随时间的变化情况，以分析相变温控对电子器件散热及抗热冲击的性能影响规律。

实验过程中通过调整输出电压控制模拟芯片的输入功率，变压器的输入电压为220 V，输出电压0~250 V。模拟芯片的输入功率可以通过式(1) 计算得出：

其中，U—输入电压，R—模拟芯片的电阻。使用数字多用表测得R值为505.0 Ω。

在波动功率作用下，电子设备的温度会出现较大幅度的波动，这样会降低其使用寿命，甚至造成设备的失效或者损坏。为了定量地考察模拟芯片对波动功率的温度响应，定义温度波动(T_Band)作为衡量的依据，如公式(2) 所示：

其中，T_max和T_min分别是在波动功率工作循环周期中模拟芯片表面温度的最大值和最小值。T_Band值越小，说明输入功率的波动对模拟芯片的影响越小，散热系统的性能就越优越。

实验过程中主要设定了3种波动热负荷工况条件，以模拟实际的电子设备运行情况。

(1) 开/关脉冲功率：该工作循环模拟电子设备处于全功率工作以及待机条件下的运行情况。实验对比传统散热系统以及相变温控散热实验系统，测定两者在开/关脉冲功率作用下的温度响应规律，研究分析其抗热冲击性能。在一个工作循环周期(900 s)里，首先给模拟芯片加热600 s，然后停止加热。

(2) 高/低脉冲功率：该工作循环相对于开/关脉冲功率模式输入功率的波动较小，以模拟电子设备在高、低功率条件下的运行，更接近于真实模式。实验对比传统散热系统以及相变温控散热实验系统，测定两者在高/低脉冲功率输入作用下的温度响应规律。在一个工作循环周期(900 s)里，首先以P₀的功率加热模拟芯片600 s，然后将功率降为P₀/2继续加热300 s。

(3) 正弦变化功率：该功率模式模拟电子设备在特殊使用环境(例如工作功率呈现正弦波变化)下的温度变化及响应情况。实验对比传统散热系统以及相变温控散热实验系统，测定两者在正弦变化功率作用下的温度响应规律，同时考察复合相变材料的温度变化情况。正弦波热源的功率输入随时间(t)的变化关系如公式(3) 所示：

图 2表示在开/关脉冲功率下，模拟芯片与复合相变材料温度随时间的变化规律，其中(a)线表示传统散热系统的模拟芯片表面温度变化曲线，(b)线表示相变温控散热实验系统中的模拟芯片表面温度变化曲线，(c)线表示复合相变材料的温度变化。每一个工作循环周期内的温度变化曲线都分为两段，一段为脉冲加热(持续时间600 s)的温度上升阶段，另一段为停止输入功率(持续时间300 s)的温度下降阶段。

图 2(Fig. 2)

图 2 25 W开/关脉冲功率下模拟芯片与复合相变材料的温度变化曲线 Fig.2 Temperature variation curves of the simulative chip and the composite PCM under 25 W ON/OFF duty cycle

从图 2中(a)、(b)线可以看出，在经历两个工作循环周期(1800 s)后，实验系统逐渐达到稳定工作状态，具体表现为在每个工作循环周期完成后模拟芯片的平衡温度及温度波动均趋于一致。对于传统散热系统，在脉冲功率作用下模拟芯片的表面温度迅速上升，在加热过程完成后其平衡温度较高(147℃)，并且在整个工作循环过程中温度波动较大(87.5℃)。而对于相变温控散热实验系统，由于模拟芯片产生的部分热量通过热管传递给复合相变材料，复合相变材料以显热和潜热的方式将其中的一部分热量吸收、储存起来，同时作为热的良导体，将其余的部分热量散失到周围环境中去，因而在脉冲功率加热过程中模拟芯片的表面温度上升比较平缓，其平衡温度也相对较低(117.5℃)，并且减小了整个工作循环过程中的温度波动幅度(67.5℃)，这对保证电子设备的稳定运行是有利的。

开/关脉冲功率作用下复合相变材料的温度变化如图 2(c)线所示，受脉冲功率作用，复合相变材料吸收模拟芯片的部分热量使得其自身温度上升，当复合相变材料的温度达到其相变温度时，发生相变并将热量储存起来，在图形上表现为曲线斜率的微小改变；在低于相变温度或者完成相变过程后，复合相变材料又作为热的良导体将部分热量散失到周围环境中。当模拟芯片停止加热时，复合相变材料得不到外界热量的补充，温度也随之下降，其整个温度响应曲线呈现波形变化，当下降到相变温度点时，发生相变将储存的热量释放出来，散失到周围环境或者通过热管传递到模拟芯片，以减缓模拟芯片的温度波动。

图 3所示是在开/关脉冲功率作用下，相变温控散热实验系统与传统散热系统的温度响应情况。随着输入功率的提高，相变温控实验系统和传统散热系统的温度波动值均呈现增大的趋势，并与输入功率近似成正比关系。同时，在相同的波动输入功率条件下，相变温控实验系统的T_Band始终要小于传统散热系统，两者的比值为0.7~0.77，说明将热适应复合材料应用于电子散热系统可以有效地减小电子设备的温度波动幅度，从而保证电子设备的稳定性。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同开/关脉冲功率下模拟芯片的温度波动 Fig.3 Temperature fluctuation of the simulative chip under different power ON/OFF duty cycles

图 4表示在高/低脉冲功率下，模拟芯片与复合相变材料温度随时间的变化规律。每一个工作循环周期内的温度变化曲线都分为两段，一段为以P₀的功率脉冲加热(持续时间600 s)的温度上升阶段，另一段为以P₀/2的功率加热(持续时间300 s)的温度下降阶段。从图 4中(a)、(b)线可以看到，与开/关脉冲功率工作循环类似，在经历两个工作循环周期(1800 s)后，模拟芯片的平衡温度及温度波动均趋于一致，实验系统逐渐达到稳定工作状态。对于传统散热系统，在初始脉冲功率25 W作用下模拟芯片的表面温度上升较快，在加热过程完成后其平衡温度较高(152.6℃)；当脉冲加热功率降为12.5 W时，模拟芯片产生的热量不足以维持该平衡温度，其表面温度逐渐下降，在整个工作循环过程中模拟芯片的温度波动较大(42.1℃)。而对于相变温控散热实验系统，复合相变材料吸收、储存模拟芯片产生的部分热量，或者将热量散失到周围环境中去，因而在初始脉冲功率25 W加热过程中模拟芯片的表面温度上升比较平缓，其平衡温度也相对较低(119℃)；在12.5 W脉冲功率加热条件下，模拟芯片的表面温度将会下降，由于复合相变材料的温度较高，模拟芯片向外界传递热量的推动力ΔT较小，同时复合相变材料在降温过程中会发生相变而释放出热量，从而使得整个工作循环过程中的温度波动幅度较小(34.6℃)。高/低脉冲功率作用下复合相变材料的温度变化如图 4(c)线所示，与开/关脉冲功率工作循环类似，复合相变材料的温度响应曲线也呈现波形变化，不同的是温度波动幅度相对更小。

图 4(Fig. 4)

图 4 25 W/12.5 W脉冲功率下模拟芯片与复合相变材料的温度变化曲线 Fig.4 Temperature variation curves of the simulative chip and the composite PCM under 25 W/12.5 W duty cycle

图 5所示是在高/低脉冲功率作用下，相变温控散热实验系统与传统散热系统的温度响应情况。与开/关脉冲功率模式类似，随着输入功率的提高，相变温控实验系统和传统散热系统的温度波动值均呈现增大的趋势，并与输入功率近似成正比关系。同时，在相同的脉冲输入功率条件下，相变温控实验系统的温度波动T_Band始终要小于传统散热系统，两者的比值为0.71~0.82，说明了基于相变温控的散热系统在应对不稳定工作环境中的优越性。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同高/低脉冲功率下模拟芯片的温度波动 Fig.5 Temperature fluctuation of the simulative chip under different power HIGH/LOW duty cycles

模拟芯片在正弦波功率作用下的温度响应规律如图 6(a)、(b)线所示。当发热功率按正弦波规律变化时，传统散热系统和相变温控散热实验系统中模拟芯片的表面温度也相应地以正弦波的趋势变化，区别在于两者的温度变化速度以及瞬时温度值。对于传统散热系统，当发热功率发生变化时，模拟芯片的表面温度响应较大，瞬时温度较高，周期内最高温度达176℃，这对电子设备的稳定运行是非常不利的。而对于相变温控实验系统，由于复合相变材料的相变特性以及优良的散热性能，周期内最高温度为136℃，且模拟芯片的表面温度变化相对平缓，具有优越的抗热冲击性能。

图 6(Fig. 6)

图 6 正弦功率作用下模拟芯片与复合相变材料的温度变化曲线 Fig.6 Temperature variation curves of the simulative chip and the composite PCM under sinusoidal power conditions

正弦功率输入作用下复合相变材料的温度变化如图 6(c)线所示。与模拟芯片的表面温度响应不同的是，复合相变材料的温度变化没有呈现正弦波规律，温度变化曲线连续光滑。复合相变材料吸收热管传递过来的热量而升温，当温度升高至相变温度点时发生相变，利用其自身较大的潜热将热量储存起来。在完成相变过程后，复合相变材料利用其显热吸收热量，温度继续升高，并作为热的良导体将部分热量散失到周围环境中。在模拟芯片的发热功率按正弦波规律逐渐降低后，模拟芯片的发热量和表面温度都相应下降，而复合相变材料继续吸收、储存模拟芯片传递而来的热量，其温度持续升高，直至模拟芯片与复合相变材料间的热量传递达到动态平衡，在正弦功率作用下复合相变材料达到最高温度的时间在4800 s附近，相比于模拟芯片延迟了1000 s。此后，随着模拟芯片的发热量继续降低，复合相变材料的温度也缓慢下降，并反向相变释放出储存的热量，散失到周围环境或者通过热管传递到模拟芯片。在相变过程完成后，复合相变材料的温度下降速度增大。利用复合相变材料的相变特性，可以有效地降低电子设备的表面温度以及温度波动幅度。

(1) 在相同功率条件下，相变温控散热实验系统可以显著降低电子设备的表面温度，同时减小温度波动幅度，两者的比值为0.7~0.8，其散热与抗热冲击性能约为传统散热系统的1.4倍。将相变温控应用于电子器件的瞬态热管理中，利用相变材料大的相变潜热和较为恒定的相变温度的特点，可有效提高电子元器件抗热冲击的能力，保证电子电器设备运行的可靠性和稳定性。

(2) 在工程应用中，可以根据电子设备实际的控温要求，选取具有合适熔点范围的相变材料作为储能介质，制备出相应的热适应复合相变材料。同时，相变温控作为被动温控方式，其散热容量具有一定限制，要实现具有复杂发热特性或者处于复杂温度波动的环境下的温控，可以根据需要进行相变温控装置的结构优化、电子设备的合理布局或者结合主动温控方式，将电子设备的结构设计和温控设计相结合可以实现电子设备的有效热管理。

符号说明：

P   —发热功率，W

R   —模拟芯片的电阻，Ω

T   —温度，℃

t   —时间，s

U   —输入电压，V

下标

0   —初始值

Band   —波动值

max   —最大值

min   —最小值