低熔点金属的相变吸热特性

相变是指物质在某一临界温度发生物态突变的过程。相变材料正是通过其状态变化而提供潜热的物质，在相变过程中材料将吸收或释放大量的潜热。相变材料实际上可作为能量存储器。这种特性在节能、温度控制等领域有着极大的意义。以固液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，完成从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。

相变材料主要包括无机、有机和复合三类。其中，无机类低熔点金属合金是一种独特的相变材料，具有热导率高、热膨胀率小、单位体积热容大及熔点可调等优势。这些独特的优势为其带来巨大应用潜力，可以广泛推广到民用和军用上。

笔者实验室将低熔点金属及其合金作为相变材料引入电子散热领域［7］，从而使手机等移动电子设备中日益严峻的发热问题得以消除，也为各类瞬态高功率电力电子设备的灵巧冷却开辟了一条全新途径。

长期以来，电子芯片的集成度始终如摩尔定律预测的那样随时间呈指数增长，如今手机的CPU主频已从过去的MHz提升至当前的GHz，对应功耗则从毫瓦到十几瓦。在手机如此狭小的空间里，大量热量很难及时排散到外部环境，这给用户带来了很大不适，比如，手机持续通话、游戏一段时间后，外壳会很快出现过热乃至发烫的现象，严重者甚至会对人体皮肤造成低温烫伤。无疑，出于对超小体积、低功耗、低噪声乃至高品质体验的要求，常规的风扇、热管和水冷散热并不适用。可以说，相较于体积大许多的笔记本电脑乃至台式计算机，手机散热更显棘手，业已成为制约高端手机发展的瓶颈。

Ge和Liu［7］借助金属材料的蓄冷及固液相变吸热机理，将手机在高负荷运行中产生的热量迅速吸收掉，手机温度得以保持在30℃附近10余分钟（图8.20），由此确保了无发热情况下的通话。一旦当手机处于待机状态，熔化成液态的相变材料则可通过向环境释放热量而发生凝固，从而为下一次吸热作好准备。整个过程仅由嵌于机壳内的金属吸热薄片承担，无需额外装置和能源，因而手机体积并不会因此明显增大，且全程无噪声。研究中，科研人员还发现了十分有趣的现象：金属材料因吸热而变成液态后，必须及时将热量释放到空气中并重新返回到固态，才能满足后续的吸热需要。然而，由于过冷度的存在，液态金属材料在温度低于熔点时并不立即发生凝固。研究小组为此引入了成核剂，还尝试对液态金属辅以振荡和敲击作用，结果证实两种途径均可显著降低材料的过冷度（从30℃降至2℃）。在手机类消费电子设备的使用过程中，晃动和敲击是时有发生的现象，由此易于确保相变吸热功能的持续高效发挥。这种因机械力作用而诱发的相变效应，也是热科学领域饶有兴味的新颖问题。(www.xing528.com)

图8.20　典型相变冷却器受热温升曲线［7］

进一步地，研究小组还将上述方法扩展用于冷却高速数据传输中的U盘、闪存及固态硬盘等［8］。实验证实，设置有金属相变材料的U盘在运行中由原来的42℃降到了28℃并能维持1刻钟以上。显然，较低的工作温度一方面保障了数据传输的可靠性，也延长了U盘的使用寿命。事实上，对于更大功率如数十瓦的瞬态发热设备，研究还表明，金属相变冷却技术的优势更加明显，系统热响应时间可呈数量级缩短，而散热装置体积则减小数倍，且加工工艺得以大为简化。此外，中国科学院理化研究所的工作也揭示出，低熔点金属相变吸热方法还易于与风冷、热管或水冷方法相结合，来提升电子设备的抗热冲击性能，这在许多计算机超频应用中有独特价值。除电子设备外，低熔点金属相变热管理方法在更多光电器件，以及太阳能、风能、潮汐能等间歇式能源的高效储存，乃至建筑保温节能、人体热舒适、特殊功率电力电子设备领域，也有得天独厚的优势［9］。

总的说来，借助如冰蓄冷一般的金属相变材料的交替性蓄冷熔化过程，可以达到灵巧的冷却目的，这种无需额外设置专用冷却系统的热管理方式，特别适合于手机等移动电子设备［9］。以往，尽管学术界也曾尝试采用相变方法来冷却手机，但因受限于既定材料的物性而制约了实际应用。比如，传统有机类相变材料如石蜡、烷烃、醇类以及脂肪酸等虽然性能稳定、过冷度小、成本低，但热导率小、热响应慢、相变时体积变化率较大从而会使系统体积显著增加；而无机类相变材料如结晶水和盐、熔融盐等，虽价格便宜、储热密度大，但过冷度高、熔化之后会因无机盐与结晶水之间的密度差而造成相分离，同时还会因结晶水蒸发引起再凝固继而产生低水化合物，最终使得相变材料的长期工作稳定性变差。高熔点金属作为相变材料虽有提出，但因在常温下无相变行为，无法用于电子设备热管理。综合而言，常温附近即可熔化的金属及其合金材料则体现出诸多诱人的优势［9］：①热导率高，是传统相变材料的数十甚至上百倍，这有利于吸热系统的快速响应，同时也减小了热源与环境之间的热阻；②金属材料稳定性好，在相变过程中不会出现相分离、相分层现象，经无数次熔化凝固之后依然表现出完好的相变特性；③低熔点金属密度大、单位体积相变潜热高，且相变过程中体积变化率小，远低于传统材料，这有利于实现高度紧凑的热管理系统。