[发明专利]一种高性能复合相变材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能复合相变材料，属于复合材料技术领域。该材料包括高相变潜热液态合金和改性碳纳米管海绵骨架；高相变潜热液态合金填充在改性碳纳米管海绵骨架中。高性能复合相变材料包括熔点在20℃～130℃范围内可调的高相变潜热液态合金和具有高热导率的碳纳米管海绵骨架材料；液态合金为以InSnBi合金为基体，以高热焓元素Ga、Cd、Zn、Sb的一种或两种以上为添加剂。该材料具有高体积相变潜热、高热导、低膨胀、熔点在20℃～130℃范围内可调；具有优异、稳定的热物理性能，在大功率激光器散热、工业余热利用、太阳能发电、燃料电池冷却、光电器件、微纳电子机械系统等对高端散热要求极高的领域内有广阔的应用。

技术领域

本发明涉及一种高性能复合相变材料及其制备方法，具体涉及一种用于大功率激光器的高性能复合相变材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

随着电子元器件高集成度、高功率、微型化发展，器件发热量和发热密度急剧升高，对散热提出极为苛刻的要求。在一些大功率激光器中，局部热点瞬时产生的巨大热量若不及时传导至外界环境，将会导致器件整体温度迅速升高，系统性能下降甚至可能损毁，造成不可估量的损失。

近年来，相变储能技术及相变储能材料在大功率器件散热领域发展迅速。目前常用相变储能材料中，无机相变材料体积相变潜热较高，但热导率极低(1W·m^-1·K^-1)，易出现过冷和相分离。有机相变材料体积潜热、热导率低，相变热膨胀系数较大。金属相变材料相变潜热高(max12000kJ/L)，热导率高，过冷度小，但其相变温度范围基本在300℃以上，不适合大功率激光器应用环境温度。因此，研制适用于大功率激光器的中低温应用温度范围，同时具备极高相变潜热、高热导率、低相变膨胀等优异热物理性能的相变蓄热传热材料是大功率电子器件散热亟待解决的关键问题之一。

专利CN103666379B公开了一种取向性多壁碳纳米管增强正十六烷基有机相变储能材料的制备方法。其相变温度较低，但相变潜热低，热导率仅有0.03W·m^-1·K^-1。

专利CN104726070A公布了一种用于LED热界面的复合相变材料及其制备方法。该材料熔点范围30℃-80℃，导热系数55-85W·m^-1·K^-1，但该材料的相变体积潜热不超过200kJ/L，很难满足大功率激光器瞬时高热流密度热点350kJ/L的散热要求。与此同时，该材料在工作状态下为液态，熔融后呈流态状，应用时需要特殊封装容器盛装，容易造成泄露。

专利CN103694963B公布了一种将有机相变材料与石墨化多孔化碳微球复合制备的复合相变材料。该材料虽然解决了传统相变材料定型差的问题，导热能力也有所提高，但其热导率和相变潜热仍无法达到大功率散热的需求。

专利CN103436240公布了一种泡沫金属复合相变材料及其制备方法。专利CN103756646A公布了一种金属有机骨架基复合相变材料的制备方法。专利CN103194182B公布了一种梯级多孔异质复合相变材料的制备方法。但这些多孔基相变材料基体结构孔径相对较大，选取相变基体多为有机物、无机盐等，在相变潜热、热导率上仍无法达到大功率散热需求。与此同时，复合材料的热膨胀率较大，如专利CN103194182B中的复合材料膨胀率高达100-200ml/g。

专利CN101343529B公布了一种将金属纳米线分散到有机溶剂中制备有机相变材料的制备方法。该材料热导率相变潜热85-95J/g，热导率2.85W·m^-1·K^-1，无法满足大功率散热需求。同时，由于金属纳米线和有机材料存在密度、润湿性方面的差异，经多次熔化-凝固相变后，纳米线在有机材料中无法保持均匀分布，将破坏复合相变材料的热物理性能。

因此，提供一种具有高相变潜热、高热导、低熔点、低体积膨胀的用于大功率激光器的高性能复合相变材料及其制备方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容