相变材料：不止散热，还是“温度平衡大师”

相变材料（PCM）是指温度不变的情况下改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变材料具有储能密度高、储放热过程中温度恒定或近似恒定、价格低等优点。

相变材料已成为一种新的散热方案。在电子器件散热中，相变材料可应用于散热片、散热管等散热装置中，起到优化散热效果的作用。此外，相变材料在相变过程中吸收大量热量，能够对电子器件起到有效的热防护作用。

导热相变材料，图源：深圳市飞荣达科技股份有限公司

01 相变材料分类

相变材料按相态形式可分为：固-固相变材料、固-液相变材料、固-气相变材料、液-气相变材料。在涉及气态的相变过程中，材料相变前后的体积变化较大，其相变过程难以控制，因此在实际工程中较少使用。而固-固相变材料、固-液相变材料在相变过程中体积变化较小，目前应用较为广泛。

按相变温度可分为：高温相变材料（相变温度>450℃）、中温相变材料（相变温度100-450℃）、低温相变材料（相变温度<100℃）。按化学成分分为：有机相变材料、无机相变材料、复合相变材料。在工程中应根据相变温度和相变潜热选择合适的相变材料。

有机相变材料。主要有石蜡类、脂肪酸类、醇类、酯类等，特点是结构中含有碳原子，通常热导率非常低，因此需要增强传热，以实现合理的热输出。

部分有机固－液相变材料的物性参数

无机相变材料主要是水合盐，水合盐是一类重要的中低温相变材料，其熔点分布范围较宽。水合盐的相变过程是指水合盐在加热过程中脱去结晶水并吸收热量，无机盐和水在冷却过程中重新结合形成水合盐，并释放热量。

部分水合盐的物性参数

02 相变热界面材料

固-液相变材料应用于热界面材料（TIM）领域时，展现出独特的性能优势：施工阶段呈固态形态，便于精准操作与施工部署；进入工作状态后，材料受热熔化为液态，达到类似液态和焊接式TIM的效果，可最大化填充界面间隙与微孔隙，显著降低接触热阻。此外，PCM在遭遇热冲击时可高效吸收部分热量，从而缓冲大热流密度对芯片的冲击作用，宛如在导热通道中增设了一个“蓄热缓冲池”。基于上述特性，将固-液相变材料引入热界面材料领域，有望开发出兼具储热与导热双重功能的新型热界面材料——相变热界面材料（PCTIM）。

近年来，为研制高性能PCTIM，许多学者开展了大量研究，所用策略主要包括：

①构建导热路径，提高热导率，如填充高导热填料、将导热填料进行结构化处理或采用低熔点金属；

②制备定形复合相变材料，提高其稳定性。

相变热界面材料的导热增强及定形改善策略

03 相变材料应用领域

航天领域。航天器在发射到太空中在与大气层摩擦时会产生大量的热，这些热量经接触面传递到航天器内部，使仪器设备过热从而影响航天器的稳定性。所以需要对航天器进行热控制，减少高温外壳传递给航天器内部的热量，或者增加仪器设备的热容量从而控制仪器设备的温度。相变材料具有较大的储热能力，可以包裹在仪器设备的表面吸收外部环境热源，减少内部温度上升幅度，保持在一定的温度范围。

建筑领域。蓄热在建筑节能方面发挥着重要作用，在建筑产品中加入潜热储存材料可以极大地提高蓄热能力。通过在墙体、天花板、地板等建筑核心部位内部封装或嵌入适配的相变材料，能显著强化其热量储存能力——这类材料既能直接捕获太阳能，也可通过自然对流高效收集环境热能。建筑蓄热性能的提升，能有效平抑室内空气温度波动，让室温长期稳定在人体舒适区间，进而显著优化居住体验。

太阳能领域。储能是可再生能源技术系统的重要组成部分，相较于光伏系统，太阳能热利用系统不仅能量利用效率更高，还能在白天高效捕获太阳能。但受限于储热能力不足，其在太阳辐射减弱或没有太阳辐射时难以持续稳定运行——而相变材料的融入恰好破解了这一痛点，让太阳能热利用系统实现24h连续高效运行成为可能。

电池热管理。随着锂离子电池市场在个人电子、电动交通和固定储能方面的不断增长，锂离子电池的安全问题面临着持续挑战。电池热失控会造成严重风险，所以每个设计阶段都需要保护措施。对电池进行热管理是一种解决电池热失控的有效方法。利用相变材料的高储热密度吸收电池在使用过程中释放出的热量，能有效防止电池发生热失控。

小结

相变热界面材料兼具储热和导热双重功能，是一类极具发展前景的新型热界面材料。目前关于提高PCTIM导热性能和结构稳定性的研究在不断推进，已经从高性能导热填料的开发、填料与PCM的相容性、导热通路的设计等方面改善了PCTIM的导热性能。相变热界面材料促进了热界面材料领域的发展，具有科学和应用价值，在提高电子封装领域的散热能力方面有很大的发展空间。

参考来源：

李萌等：相变材料用于电子器件散热、热防护的研究进展

朱洪宇：相变复合材料的制备及其导热性能研究

蔡楚玥等：相变热界面材料导热增强及定形改善的研究进展