相变导热技术
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导热障碍
Thermal budget: 装置与环境间热传导的阻碍 存在于装置，导热界面材料和散热片 改善措施
装置的设计无法改变 高性能散热片会相应提高成本 导热界面材料是唯一选择
使用高性能导热界面材料是性价比最佳的方案
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目标
提高元器件和系统的可靠性 将排风扇所引起的噪音最小化
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导热技术术语和定义
TIM: Thermal Interface Material -- 导发界面材料 TIM1: 使用于集成电路封装内 TIM2: 使用于集成电路封装外 PCTIM: Phase-Change Thermal Interface Material TCA: Thermally Conductive Adhesives--导热胶 Isolation: 绝缘材料
油脂厚度, 表面润湿, 稳定一致性是关键
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TIM 选择：非相变材料
干燥的非相变材料能 提供:
对要求不高的应用导热性能适中 使用简便，工业中长期应用经验积累 总体来说无硅污染 成本低
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TIM 选择：非相变材料
干燥的非相变材料不能 提供:
出色的表面润湿 对不同表面的稳定一致性 最小的厚度获得最佳的效果 有效消除气穴
0
0
Mounting Pressure - PSI
相变化合物消除了气穴, 导热性能大大提高
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可靠性
老化条件下，油脂会迁移或干化/开裂
非相变垫片无可靠性问题，但导热性能会开 始下降并且无法恢复. 相变材料在长时间工作条件下性能不降反升 相变化合物反复流动，直到界面厚度最小. 使导热性能更出色 实际应用中， PCTIM’s有长达16年的可靠性
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导热油脂： Thermal Compounds or Greases
最原始的导热界面材料 填充云母或其他绝缘介质 在光滑平整表面上表现优良 用量控制较严格 长时间工作有分层或干化的危险
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导热胶： Thermally Conductive Adhesives 有导热填料的结构性粘结剂 粘结强度vs导热性能是矛盾 可以填充散热片与元器件之间的较大间隙 需要操作工艺配合：施胶，固化..
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热循环测试数据比较
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有关相变材料的重点
特性
室温时为固体便于操作安装 操作温度时软化流动，粘结层厚料体积膨胀16% 膨胀使气穴被排除 无干化现象
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有关相变材料的重点
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Heat Sink Air
TIM
Air
PCTIM
Device Thermal Pad
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热传导中最大的阻抗是什么???
接触界面的热阻抗
铝质基材会产生额外的两个接触界面吗?
相变化合物和铝质基材的制成是在高于相变温度条件下,润 湿工艺 => 无气穴生成 铝质基材厚度 =2 mil 铝的导热系数 = 5.5 watt/inC°. 铝质基材产生的热阻抗 = 0.00036 in2C°/watt. 对整体导热性能无影响
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Thermstrate 系列
Thermstrate 2000
操作简便,适用于独立电源,半导体,模块,处 理器, RF元器件等
Thermstrate SA
大量用于微处理器的预装配
Thermstrate TC
操作简便，涂一层
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Thermstrate® TC Applicator Bar
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安装压力
压力越大，界面厚度越小，导热性能越佳
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相变材料 vs 裸表面
Thermal Impedance vs. Mounting Pressure
0.7 0.65 0.6 $
Material:
& AL-S (Thermstrate on 2 mil Al substrate) $ Bare Aluminum, 2mil $ Dry Junction
where Q = kAT / t (from thermal cond.)
Qtotal = t / k + Qinterface
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热阻抗 vs. 厚度直线图
1/k
热 阻 抗
界面热阻抗
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界面厚度
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重要信息!
导热系数不是一切!
忽略了安装界面
测量方法 - ASTM D5470
PCTIM 技 术 培训
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内容
导热控制基础知识
导热界面的材料
相变材料技术
产品介绍
应用实例/销售策略
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导热控制
消除电子元器件在工作中所产生的热量 适用场合
微处理器(Microprocessors) 有线/无线通讯(telecom/wireless) IGBTs 和大功率半导体(semiconductors) 移动电子设备(mobile electronics)
Thermal Impedance - sq.in C/watt
0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 & & & 20 & 40 60 & 80 100 120 $ $ $
$
$
$ $ $ $ & 140 160 180 200 220 240
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相变过程
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接触界面的热阻抗
微观显示在导热路径中有气穴 裹入 空气的热传导系数非常低 (0.0007 Watt/in.°C). 会导致严重的界面处温度升高 会导致装配和系统的失效率升 高. 所有的 Loctite PCTIMs 能 100%地表面润湿，有效消除 接触界面的热阻抗.
导热性能不如导热油脂和相变材料
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TIM 选择：PCTIM 相变材料
相变材料可替代所有类型的导热油脂和固 态界面材料 相变材料在特定温度由固态转变为液态
提供最佳的表面润湿 使导热化合物填充满表面间的空隙 使导热界面的厚度最小化 有效地清除界面间的气穴
最佳选择
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对绝缘材料，基材是Kapton MT (导热系数 = 0.0114 watt/inC°) => 由 2 mil Kapton所产生的热阻抗为 002/.0114 = .175 in2C°/watt，不可忽略，已计算入数据表.
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粗糙度 & 平整度
A. 表面粗糙 C. 表面不平整
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导热系数
Thermal Conductivity k = Qt / ADT 原材料自身特性 与装配和测试方法无关 不能直接测量
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热阻抗
Thermal Resistance = T/Q (C/Watt) Thermal Impedance = T/(Q/A) or R*A (in.2C/Watt)
常见的7种导热界面材料
导热垫片 导热胶带 固液态转化材料 导热填充料 现场成型导热材料 导热油脂 导热胶
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导热垫片： Elastomeric Pad/Insulators 电气绝缘,导热界面 高温可靠性佳 有玻璃纤维填充 要求较高的安装压力
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T = 温差
Q = 稳定的热流量
数值越低，导热效果越佳 与导热系数相比，能更好地表征导热性能 可以直接测量，与装配方法密切相关
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热流量方程
公式推导 Qtotal = Qmaterial + Qinterface Qmaterial = R x A = TA/ Q = t / k
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导热界面材料
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导热油脂的替代
为什么?
长期使用有硅迁移 ---->可靠性问题 无硅填充的油脂会干化 -----> 可靠性问题 工艺较肮脏，生产环境不佳 理想测试条件下，正确使用导热油脂能获得优 良的导热性能，但:
实际操作中无理想的表面条件 很难获得稳定一致的厚度和覆盖
适用于所有大功率电子元器件 每一块可涂敷400至500 in2 与Thermstrate材料相同 干净，便捷，无浪费
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Powerstrate 系列
处理器应用 导热性能最佳,效果 与高性能导热 油脂 相当 不同尺寸适用于所 有常见处理器
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Powerstrate vs Thermstrate
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散热管理
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导热界面材料
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散热管理
散热器 TIM 2
盖 TIM 1 新芯片
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焊球
底部填充材料
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导热技术术语和定义
热流量 Q = Heat Flow (W) 导热系数 k = Thermal Conductivity (W/mK) 温度 T = Temperature (º C) 面积 A = Area (cm2) 厚度 t = Conductive Heat Path (mm)
应用相变材料的散热技术概述
应用相变材料的散热技术概述相变材料是一种具有特殊热学性质的材料，它们能够在特定温度区间内进行相变，释放或吸收大量的热量。
这种材料在散热技术中具有广泛的应用，能够有效地提高散热效率，降低能耗，同时也能够实现节能减排的目标。
本文将对应用相变材料的散热技术进行概述，介绍其工作原理、应用领域和发展前景。
一、相变材料的工作原理相变材料的工作原理是基于其在相变过程中吸收或释放大量的热量。
在相变过程中，物质的结构和性质会发生变化，从而释放或吸收热量。
固态相变材料在升温到相变温度时，会吸收大量的热量，从而降低其周围的温度；反之在降温到相变温度时，会释放大量的热量，从而升高其周围的温度。
这种特性使得相变材料能够在散热过程中起到良好的调温作用，有效地降低热源温度，提高散热效率。
二、应用领域1. 电子产品散热相变材料在电子产品散热领域有着广泛的应用。
由于电子产品在工作过程中会产生大量的热量，而传统的散热方法往往无法有效地满足散热需求。
而应用相变材料的散热技术能够有效地提高散热效率，降低散热成本，从而保障电子产品的稳定性和可靠性。
目前，很多电子产品制造商都开始采用相变材料的散热技术，如将相变材料作为导热垫材料应用在CPU和显示芯片上，以提高散热效率。
2. 建筑节能相变材料还可以应用于建筑节能领域，通过调节室内温度来提高建筑的节能性能。
在夏季，相变材料能够吸收室内的过剩热量，降低室内温度；而在冬季，相变材料又能够释放热量，提高室内温度。
这种特性使得建筑内部的温度能够得到有效的调节，减少空调和供暖系统的使用，从而降低能耗，达到节能减排的目的。
3. 新能源汽车散热随着新能源汽车的快速发展，其散热问题也越来越受到关注。
传统的汽车散热系统往往需要大量的冷却介质和冷却设备，而应用相变材料的散热技术能够有效地降低冷却系统的负荷，提高汽车的续航里程和性能表现。
目前，一些新能源汽车制造商已开始采用相变材料的散热技术，如在电池散热系统中应用相变材料，以提高电池的散热效率。
高等传热学相变导热解（移动边界）
⾼等传热学相变导热解（移动边界）⾼等传热学导热理论——相变导热（移动边界问题）讨论第五讲：相变导热（移动边界问题）：移动边界的导热问题有许多种，本讲只讲固液相变时的导热模型。
5.1 相变换热特点与分类：特点：(1) 相变处存在⼀个界⾯把不同相的物质分成两个区间（实际不是⼀个⾯，⽽是⼀个区）。
(2) 相变⾯随时间移动，移动规律时问题的⼀部分。
(3) 移动⾯可作为边界，决定了相变问题是⾮线性问题。
分类：(1) 半⽆限⼤体单区域问题（Stefan Question ） (2) 半⽆限⼤体双区域问题（Neumman Question ） (3) 有限双区域问题5.2 相变导热的数学描述和解：假定：固液两相内部只有导热，没有对流（适⽤于深空中相变）。
物性为常量。
不考虑密度变化引起的体积变化。
控制⽅程：对固相： 221s s s t t a x τ??=?? 对液相：221l ll t t a x τ??=??初值条件：0:s l t t t τ∞=== 边界条件：0:::s l w l s l s x t ort t x t ort orx t ort t ∞===∞≠∞=?=在相变界⾯，热量守恒，温度连续，Q l 为相变潜热：()():s l sl l l s l p t t d x Q and t t t x x d δτδτλλρτ==+== 5.2.1 半⽆限⼤体单区域问题（Stefan Question ）的简化解：以融解过程为例：忽略液相显热，2210l ll t t a xτ??==??，⽅程解为⼀直线，由边界条件得：()/l w p w t t t t x δ=+-对固相，忽略温差：w p t t t ∞==，即固相温度恒等于相变温度等于初始温度。
由相变处得换热条件求δ的变化规律：()()():0()l l ll l p w l l t d d x Q t t Q x dx d λδτδτδτλρρδτδ?==+=-+?==式中：()/l l p w l Ste c t t Q =-叫Stefan ’s Number ，物理意义是相变时液相显热和液固潜热⽐。
第08讲 相变传热
x / 4 t
e dt
t2
(19-b)
x / 4 t
0
e
2
d
x2 4 t
x / 4 t
0
de 2 d e dx
2
1 2 e 4 t
x2 4 t
mn
m=n
13
特征方程法
特征方程的根为一对共轭复数根
通解为
k 0
2 2
k1 i, k2 i
X , x c1 cos x c2 sin x
14
温度的完全解可由上述分离方程的基本解按线 性迭加原理构成，其形式为
T x, t cm X m , x e
1.
22
斯蒂芬（Stefan）问题的数学描述 固相内数学描述
Ts Ts s 2 0 x s t , t 0 t x Ts x, t Tw x 0, t 0
2
9 a 9 b
23
液相内数学描述
Tl Tl l 2 s t x , t 0 10 a t x Tl x, t Ti x , t 0 10 b
12
由上式所定义的辅助问题为特征值问题，该问 题只对分离参数取一些特定值
m , m 1, 2,3,...
才有解，这些分离参数的值称为特征值，相 应的解 X m , x 称为该问题的特征函数。 特征函数是正交的
L
0
ptm相变化导热材料
ptm相变化导热材料
PTM相变化导热材料是一种特殊的导热材料，其导热性能优于传统材料。
它的工作原理是利用材料内部的相变过程来传递热量。
当温度上升时，PTM相变化导热材料的分子结构会发生变化，从固态逐渐转变为液态，在这个过程中，大量的热量被吸收并传递。
这种材料的特点在于其相变过程中能够吸收大量的热量，并能够在温度变化时快速地传递热量，保持温度的稳定。
此外，PTM相变化导热材料的另一个特点是它能够在相变过程中吸收和释放大量的热量，而不改变其自身的物理形态。
这种材料在电子设备和半导体行业中被广泛使用，可以有效地解决散热问题，并提高设备的稳定性和可靠性。
总的来说，PTM相变化导热材料是一种高效、可靠的导热材料，能够满足各种不同应用的需求。
如需了解更多关于这种材料的介绍，建议咨询相关专家或查阅专业文献。
6-相变导热
x
液体带入的焓：l vl hl
固体带出的焓： s vs hs
l vl (hl hs ) s vs 质量守恒： 净焓流量： l vl hl s vs hs lv llL lv
2、能量平衡条件
t s tl qs ql s l x x
t t∞ qs ts(x,τ) vs s( τ ) tl(x,τ)
l s
t
t∞
tl(x,τ)
tm ts(x,τ) tw O s( τ ) x
扩展性内容：
查阅资料，了解本学科前沿，追踪研究 领域内的最新进展：导热、对流、辐射中 选一个主题。 要求： 自由组合，5人左右1组，不超过6人； 整理成文，排版要求参照上海理工大学硕 士论文要求； 标明参考文献； 说明成员贡献；
第六章 相变导热
所谓相变是指物质集态或组分的变化。 液态相由于冷却而凝固成固态相，或固态 相由于受热而熔化成液态相。 在伴有相变的导热中，都包含了相变与导 热这两种物理过程，因此它比单纯的导热 问题要复杂一些。 例：浇铸——冷却过程 河面结冰过程
6-1 相变导热的特点
1、固、液两相之间存在着移动的交界面, s(τ)
l vl hl s vs hs l vl L s vs L
tm tw
ql
vl vx
vx dS d
t s tl s l l vl L s vs L x x
O
x
(1)固、液两相密度相同时
l s
t s tl s l l vl L t ) L x d
对温度连续性条件求全微分：……
t s tl s l L L t s tl x x x x t s tl
电池相变加热
电池相变加热技术的研究与应用随着科技的发展，电池技术也在不断进步。
其中，电池相变加热技术作为一种新型的电池加热方式，因其高效、节能、环保等优点，受到了科研人员和业界的广泛关注。
一、电池相变加热技术概述电池相变加热技术是一种利用相变材料在相变过程中吸收或释放大量热量的特性，对电池进行加热的技术。
相变材料可以在固态和液态之间转换，且在此过程中可以吸收或释放大量的热量，从而达到加热的目的。
这种技术主要应用于低温环境下的电池加热，以提高电池的性能和使用寿命。
二、电池相变加热技术的工作原理电池相变加热技术的基本工作原理是，将相变材料放置在电池内部或外部，当电池温度低于预设值时，通过外界能源（如电能）使相变材料从固态转变为液态，吸收大量的热量；当电池温度高于预设值时，相变材料从液态转变为固态，释放出大量的热量。
这样，就可以有效地调节电池的温度，保证其在适宜的温度范围内工作。
三、电池相变加热技术的应用目前，电池相变加热技术已经广泛应用于电动汽车、航空航天、军事装备等领域。
例如，在电动汽车中，由于电池在低温环境下性能会大大降低，因此需要采用电池相变加热技术来保持电池的温度，提高其工作效率。
此外，电池相变加热技术还可以用于无人机、卫星等设备的电源系统，保证其在极端环境下的正常运行。
四、电池相变加热技术的发展前景尽管电池相变加热技术已经在一些领域得到了应用，但其发展仍然面临一些挑战，如相变材料的选择、相变过程的控制等。
未来，随着科研人员的不断探索和研究，我们有理由相信，电池相变加热技术将会得到更大的发展，为我们的生活带来更多的便利。
总的来说，电池相变加热技术作为一种新型的电池加热方式，具有广阔的应用前景和发展潜力。
我们应该加大对这一技术的研发力度，推动其在各个领域的广泛应用，为我国的科技进步和经济社会发展做出贡献。
金属相变储热材料的导热性研究进展
3、航空航天领域：PCM在航空航天领域的应用主要是通过将PCM与航天器结构 材料结合，实现对航天器温度的调控。例如，将PCM应用于航天器的太阳能电 池板背面，可以有效地吸收太阳能并调节航天器的温度。
4、生物医学领域：PCM在生物医学领域的应用主要是通过将PCM与生物材料结 合，实现生物材料的温度调控。例如，将PCM应用于手术缝合线中，可以有效 地控制缝合线的温度，从而减少术后感染的风险。
总之，相变储热材料在不同领域有着广泛的应用前景。随着科学技术的不断发 展，相信PCM在未来将会在能源储存和温度调控等领域发挥更加重要的作用。
摘要：
本次演示主要探讨熔融盐金属复合相变储热材料的研究进展，概述了当前的研 究现状、研究方法、研究成果与不足，并展望了未来的发展方向和应用前景。 关键词：熔融盐，金属复合相变储热材料，研究现状，研究方法，应用前景。
引言：
随着能源危机和环境污染问题的日益严重，储热材料的研究与开发已成为当今 世界的焦点。熔融盐金属复合相变储热材料是一类具有潜力的储热材料，其具 有高的储热密度、良好的储热性能和廉价的制造成本等优点而备受。本次演示 将对熔融盐金属复合相变储热材料的研究进展进行详细阐述。
研究现状：
熔融盐金属复合相变储热材料按照组成成分可以分为金属-金属复合相变储热 材料、金属-非金属复合相变储热材料和多相复合相变储热材料等。
多相复合相变储热材料是一种新型的储热材料，通过将两种或两种以上的不同 相变材料进行复合制备得到。这类材料可以同时具备多种不同相变材料的优点， 如高的储热密度、良好的储热性能和低成本等，因此具有广泛的应用前景。
研究方法：
熔融盐金属复合相变储热材料的研究方法主要包括理论研究、实验研究和数值 模拟等。
结论与展望
相变换热器原理
相变换热器原理相变换热器是一种利用相变材料的相变过程释放或吸收潜热来完成热能储存和传递的热器。
它在太阳能利用、节能建筑、电子设备散热等领域有着广泛的应用。
相变换热器的原理是通过相变材料的相变过程，将热量转化为潜热或释放潜热来实现热能传递。
首先，相变换热器的工作原理是基于相变材料的特性。
相变材料是一种在特定温度范围内发生相变的物质，它可以在相变过程中吸收或释放大量的潜热。
这种特性使得相变材料成为热能储存和传递的理想选择。
其次，相变换热器的原理是利用相变材料的相变过程来完成热能传递。
当相变材料处于固态时，它可以吸收热量并逐渐升温，当达到相变温度时，相变材料开始发生相变，吸收的热量转化为潜热，直至完全转化为液态。
在液态时，相变材料可以释放潜热，并将热量传递给周围环境。
当环境温度下降时，相变材料开始凝固，释放的热量再次转化为潜热，直至完全凝固为固态。
这样，相变材料完成了一次热量的吸收和释放过程，实现了热能传递。
最后，相变换热器的原理还包括热能的储存和释放。
通过控制相变材料的相变温度和相变热，可以实现热能的储存和释放。
在储热过程中，相变材料吸收热量并转化为液态，将热能储存在其中；在释热过程中，相变材料释放潜热并转化为固态，将储存的热能释放出来。
这样，相变换热器可以在需要时释放储存的热能，实现热能的灵活利用。
综上所述，相变换热器的原理是基于相变材料的特性，利用相变过程完成热能传递和储存。
通过控制相变材料的相变温度和相变热，可以实现热能的灵活利用，为太阳能利用、节能建筑、电子设备散热等领域提供了一种高效的热能传递和储存方式。
相变换热器的原理为热能的有效利用和节能减排提供了新的途径和可能。
传热学-相变对流换热
第7章 相变对流传热
相变：物质系统不同相（气液固）之间的转变。相变过程 伴随吸热、放热的相变潜热
相变对流传热
凝结传热 （气相变液相） 沸腾传热 （液相变气相）
凝结传热： 夏天出空调房间后的眼镜表面膜状凝结
沸腾传热： 烧开水 相变传热的特点：
由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂 相变对流传热的重点在于确定表面传热系数，然后由牛顿冷却公 式计算热流量
实验结果修正
实验关联式
膜状凝结实验关联式：
竖壁（层流）
hV
=
1.13
⎡ grρ
⎢ ⎣
η
l
l(
t
s
λ2 3
ll
− tw
⎤1/ 4
)
⎥ ⎦
Rec<1600
竖壁（湍流） Rec>1600
Nu
=
Ga1/ 3
58
P rs− 1 / 2
⎛ ⎜ ⎝
P rw P rs
Re
⎞1 ⎟
/
4
(R e 3
/
4
−
⎠
253
)+
9200
7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化
2. 管子排数
分析解及关联式只针对单根管道
对由多排管道组成的凝汽器 上方管道上的凝结水落下时，对下面管道上的液膜造成影响（飞溅与扰动） 取决于管束的几何布置、流体物性等 参照凝汽器设计手册
7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化
3. 管内冷凝
此时换热与蒸气的流速关系很大。 蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于管子上半部。 流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子四周，中心为蒸气核
多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究
一、基本原理
多孔介质中的流动过程也具有其独特性。由于孔隙的存在，流体会在固体颗 粒之间流动，形成复杂的流型。同时，由于固体和流体之间的热交换，流动和传 热过程也会相互影响。
二、应用研究
1、能源领域
1、能源领域
在能源领域中，多孔介质相变传热与流动被广泛应用于各种热能存储和转换 系统中。例如，基于相变材料的热能存储系统能够有效地储存和释放大量热量。 在电力需求高峰期，存储的热量可以被用来加热多孔介质，进而驱动涡轮机发电。 而在非高峰期，存储的热量则可以通过多孔介质的自然对流被冷却并储存。
1、能源领域
此外，在燃料电池和太阳能热水器中，多孔介质也扮演着重要的角色。在这 些设备中，多孔介质不仅提供了良好的热交换环境，还能有效地支撑和保护内部 的敏感组件。
2、环境领域
2、环境领域
在环境领域中，多孔介质相变传热与流动也被广泛研究。例如，在污染物治 理中，多孔介质可以作为一种高效的吸附剂和催化剂。通过控制多孔介质的孔隙 率和成分，可以实现对污染物的有效吸附和分解。此外，多孔介质还被用于构建 人工湿地和植物培养床，以去除污染物并提高水质的生物活性。
未来研究方向
未来研究方向
本次演示的研究为多孔介质内的相变传热传质过程提供了有益的参考，但仍 需在以下几个方面进行深入研究：
未来研究方向
1、针对不同类型和性质的多孔介质，研究其物理属性和结构特征对相变传热 传质过程的影响机制；
未来研究方向
2、深入探讨相变介质在不同条件下的热物理性质变化规律，及其对相变传热 传质过程的影响；
文献综述
近年来，随着测量技术的发展，一些新的实验方法，如红外热像仪法、X射线 衍射法等被逐渐应用于相变传热传质实验中，为研究者提供了更为便捷和精确的 测量手段。