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Applied Sciences：面向光伏热管理的膨胀石墨定型的真空浸渍‑冷压制备的导热相变板及性能研究

已有 1181 次阅读 2026-9-30 17:09 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

本文撰稿人介绍

曹晏教授（中国科学院广州能源研究所）

中国科学院广州能源研究所二级研究员、中国科学技术大学教授。专注融合发展热-电催化反应与分离、固废及低品位共伴生矿利用、化学链循环转化多联产技术、原位在线检测监控表征等基本原理及工程应用。

编委鉴赏

天然石墨矿中的大鳞片高纯石墨经插层处理后，可制得可膨胀石墨 (EG)；可膨胀石墨经高温瞬间膨化，体积膨胀百倍以上。EG在保持高热导率的同时，形成发达的孔隙结构和大的比表面积，是热管理领域关键的中间材料，既可单独用作吸附剂和阻燃剂，也可作为多孔骨架复合相变材料，从而解决相变材料易泄漏和导热性差两大问题。

文章导读

高导热相变材料，兼具潜热恒温控温与快速储放热能力，已在多领域得到应用。例如在光伏板的被动降温抑制光伏效率衰减，在电池电芯热管理平抑模组温差辅助抑制热失控，在电子设备中缓冲瞬时热冲击和降低界面热阻。相变温度区间是一个重要指标，若相变窗口与设备实际工况不匹配，相变潜热将无法发挥效用。同时，相变区间宽度同样不可忽视。

不同地域所需的相变温度区间应因地制宜。该研究采用真空浸渍冷压法，利用膨胀石墨固定相变材料制备了导热板，并考察了相变材料的泄漏率、比热容、热扩散系数及导热系数等性能。

研究材料与方法

将肉豆蔻酸与棕榈酸按61:39质量比于70  ℃熔融搅拌5min制得MPA脂肪酸共晶，RT35、RT44石蜡直接使用；按照相变材料与膨胀石墨100:14 phr配比手工混合物料，置于旋转蒸发装置，在60mbar真空、20rpm转速条件下水浴加热至90  ℃，保温旋转30min完成真空浸渍，借助负压排除石墨孔隙内空气，依靠毛细力使熔融相变材料充分渗入膨胀石墨孔道，冷却凝固后得到复合粉末。

随后在20 ℃ (低于相变材料熔点) 条件下对粉末进行冷压成型，施加10MPa压力保持30s，依靠颗粒互锁作用无粘结剂制备得到块状板材以及用于各项表征的小圆片试样，避免成型过程中熔融相变材料被挤压流出。

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图1. 通过真空浸渍——冷压工艺生产导热相变板。

研究结果与讨论

结论一：工艺成型效果

真空浸渍得到的复合粉末通过冷压工艺直接制备成定型相变板材，该板材无需高分子基体，依靠石墨颗粒的咬合实现成型，从而降低复合材料内部孔隙率。脂肪酸共晶MPA与膨胀石墨具有更强的极性相互作用，晶体片状结构有利于嵌入石墨片层，抗泄漏效果最优，3h泄漏仅0.55%。采用60 ℃恒温测试泄漏率，是为了更好地模拟真实情况，当PCM全部变为熔融状态时，系统温度与光伏板温度均趋于稳定且高于PCM熔点。

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图2. 60 ℃渗漏测试结果。右图为MPA/EG14 (红框、RT44/EG14 (蓝框) 、RT35/EG14 (绿框) 压制的硬片经过3小时测试后的泄漏对比。

结论二：导热与热管理

复合相变材料不存在普适最优材料，材料选择需要结合使用地域纬度、季节、环境条件综合确定，不能预先对三种体系简单排序。在相变材料中添加低热容的EG后，复合材料的热容均下降，其中RT44的降幅最小，如图3所示。根据DSC分析，三种复合材料具备不同工作区间：RT35/EG14为30‑39  ℃，RT44/EG14为40‑47  ℃，MPA/EG14为45‑51  ℃，因此可适配不同工况，如图4所示。

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图3. 相变材料固相在20 °C到35 °C的比热容。

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图4. 1 ℃/min下纯净相变材料 (PCM) 和PCM/EG体系的DSC热谱图：首次加热 (a)、冷却 (b) 和第二次加热 (c)。

膨胀石墨在复合材料中构建了连续导热网络，大幅提升热扩散率，在MPA中的扩散率提升超过20倍，如图5所示。导热系数较纯相变材料提升7‑16倍，RT44/EG14在25  ℃的导热系数接近6  W/ (m·K)，如图6所示。仅添加14  phr的膨胀石墨，最大限度地保留相变潜热，板材热管理能力可达3.3‑4.4  MJ/m²。