基于铜纤维蜂窝骨架/复合相变材料（CFH-PCM）散热器的热性能实验研究

《Journal of Energy Storage》：Experimental investigation on the thermal performance of a heat sink with copper fiber honeycomb skeleton/composite phase change materials

　　

相变材料（PCMs）因具有高储热密度以及在储热/释热过程中温度几乎恒定等优势，在电子器件热管理等领域具有广阔的应用前景。然而，相变材料普遍较低的热导率限制了其广泛应用。为解决上述问题，研究人员基于多齿车削和水浴法制备了一种新型的铜纤维蜂窝骨架/复合相变材料（CFH-PCM）。研究人员探究了开孔率（open ratio）对传热性能的影响，并制备了普通的铜纤维骨架/复合相变材料（CSC-PCM）作为对比。实验结果表明，随着开孔率的增加，控温时间变长。在相同功率下，开孔率为12.57%的CFH-PCM的控温时间比开孔率为8.73%的CFH-PCM长43.2%，比开孔率为5.59%的CFH-PCM长67.6%。此外，与CSC-PCM散热器相比，在低功率下CFH-PCM散热器的控温时间延长了82.9%。研究结果表明，CFH-PCM为解决相变材料热导率低的问题提供了一种有效途径，并有望应用于汽车系统中LED阵列的散热。

论文解读：铜纤维蜂窝骨架复合相变材料散热器的热性能实验研究

随着电子器件向高性能、小型化和高集成化发展，发光二极管（LED）和中央处理单元（CPU）等组件的散热问题日益严峻。散热空间有限和高功率密度等问题 adversely affect the performance and reliability of electronic equipment. 研究表明，温度升高10–20°C会使电子设备的失效率加倍。相变材料（Phase Change Materials, PCMs）具有能量密度高、工作温度一致、能量输出稳定等优点，是解决电子器件过热问题的重要方案，广泛应用于发光二极管（LEDs）、太阳能系统、智能电网和电动汽车等领域的热管理。然而，相变材料固有的低导热系数使其难以满足散热要求。

为改善相变材料的导热性能，研究人员开发了多种方法，如在相变材料容器中插入金属翅片（fins）、微胶囊化（microencapsulation）、添加高导电纳米颗粒、嵌入金属泡沫（metal foams）以及填充蜂窝结构（filled honeycomb structures）等。其中，金属泡沫嵌入法因具有高导热性、大比表面积和互连孔隙网络而备受关注，但金属泡沫的闭孔导致相变材料填充率低，且其光滑表面和低比表面积导致与相变材料的粘附性差。填充蜂窝结构也是一种解决方案，但其光滑表面和闭孔同样导致填充率低，且缺乏多尺度孔隙，无法有效促进相变材料与结构间的热交换。

针对上述现有填充蜂窝结构的问题，研究人员提出了一种新型铜纤维蜂窝骨架。该骨架采用多齿切削法制造的粗糙切削铜纤维，具有粗糙的表面形貌、三维互连网络结构、多尺度孔隙和平行蜂窝通道。这些多尺度孔隙相互连接，增强了液态相变材料的流动强度；纤维间的烧结颈（sintering necks）有助于骨架导热性的提高。这些结构特征表明，铜蜂窝骨架在增强相变材料热性能方面具有巨大潜力。然而，目前鲜有研究关注此类铜蜂窝骨架与相变材料结合的相变传热强化技术，且开孔率对铜蜂窝骨架基相变材料热性能的影响尚待揭示。

鉴于此，研究人员基于多齿车削和水浴法制备了一种新型铜纤维蜂窝骨架/复合相变材料（CFH-PCM），并通过实验研究了不同开孔率和不同临界温度要求下样品在不同功率下的热管理效率，同时以传统的铜纤维骨架材料作为基线来探讨该材料的优缺点。该研究论文发表在《Journal of Energy Storage》。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：基于多齿车削和水浴法制备新型铜纤维蜂窝骨架/复合相变材料（CFH-PCM），以普通铜纤维骨架/复合相变材料（CSC-PCM）作为对照；设置不同的开孔率（5.59%、8.73%、12.57%）和输入功率（不同水平），利用LED光源模拟热源，通过温度传感器记录散热器底部温度（T₁）随时间的变化，以此分析控温时间及热传导速率，并依据公式计算热导率（k）以评估传热性能。

研究结果：

铜纤维蜂窝骨架的制备

铜纤维蜂窝骨架（CFH）的制备过程如下：首先采用多齿切削法加工连续铜纤维，将连续铜长纤维切成10–15 mm长的短纤维；去除铜纤维表面的油污；将短纤维均匀填入模具并压实；随后将成型后的铜纤维样品放入真空烧结炉，加热至950°C进行烧结，形成具有三维互连网络、多尺度孔隙和平行蜂窝通道的粗糙表面骨架。

典型CFH-PCM散热器的瞬态热性能

在输入功率为11.7 W时，CFH-PCM散热器的典型瞬时温度曲线分为加热和冷却阶段。加热阶段，LED灯产生的热量传递到散热器，大部分热量被散热器中相变材料吸收，小部分被铝外壳吸收并通过自然对流和热辐射耗散到周围环境。

加热阶段对比

在不同功率水平下，相同开孔率时CFH-PCM散热器底部温度T₁均低于CSC-PCM散热器和纯石蜡散热器。根据公式计算出热导率k，显然CFH-PCM散热器在加热阶段的传热速率显著高于CSC-PCM散热器。

结论

研究人员制备了一种高效的CFH-PCM以解决相变材料（石蜡）热导率低的问题。结果表明，CFH-PCM的热导率比传统CSC-PCM高86.6%。开孔率对传热性能有影响，随着开孔率增加，控温时间延长；在相同功率下，开孔率12.57%的CFH-PCM控温时间较8.73%的长43.2%，较5.59%的长67.6%。此外，与CSC-PCM散热器相比，低功率下CFH-PCM散热器的控温时间延长了82.9%。研究得出结论，CFH-PCM为解决相变材料低导热系数问题提供了有效途径，并有望应用于汽车系统LED阵列的散热。

讨论总结：

本研究针对相变材料低导热系数限制其电子器件热管理应用的问题，创新性地采用多齿车削和水浴法制备了具有粗糙表面、三维互连网络、多尺度孔隙及平行蜂窝通道的铜纤维蜂窝骨架，并与相变材料复合形成CFH-PCM。通过实验系统探究了开孔率及功率对热性能的影响，并与传统CSC-PCM进行对比。结果显示CFH-PCM显著提升了热导率和控温时间，证实了该结构在促进相变材料与骨架间传热及增强液态PCM流动方面的优势。研究不仅明确了开孔率的正向调控作用，也验证了其在低功率工况下的优越性能，为电子器件及汽车LED阵列的高效热管理提供了新材料结构和实验依据，具有明确的应用价值和推广意义。