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|近日，中国科学院工程热物理研究所在《Numerical Heat Transfer, Part A: Journal of Applied and Thermal Sciences》上发表的两篇论文引起了人们的关注。
随着信息时代的快速发展，周边电子产品的芯片功率密度不断提高，单位体积的发热量也不断增加，这对电子产品的性能和安全性产生了很大的影响。相应的热管理技术也在不断研发，但仍然存在重大技术挑战，现在传统的制冷剂和冷却方式已经不能满足冷却要求，迫切需要开发新的高效冷却技术。针对这一问题，该所传热传质研究中心项目组开发了潜热功能作为新型冷却介质，增强传热性能，解决高功率密度电子器件的问题。改变微胶囊悬浮液。芯片的热管理问题[1]。
大家一定都有利用制冷剂散热的概念，比如我们在学校学过的冷凝管或者电脑爱好者使用的水冷机箱，但是我们所说的相变微囊悬浮到底是什么呢？
相变是当物体从一种相转变为另一种相时，例如当水被冷却并结冰时，或者当冰被加热并融化成水时，在这个过程中会吸收或释放大量的热量。这是一种相变材料。相变材料在相变过程中可以与外部环境进行能量交换，即从外部环境吸收热量或向外部环境释放热量，从而提高能源利用率和环境温度控制，达到控制环境温度的目的。这种利用相变储存能量的方法也称为潜热储能，其储能密度比显热储能更高[2]（图1）。但想象一下场景。如果冷凝水管不再是水，而是被冰取代，显然管道就很容易堵塞，这也会影响传热效果。此外，一些相变材料会腐蚀管道。带来更大的风险。目前常用的相变材料的相变温度范围一般为0120，包括水合无机盐、高级脂肪醇、高级脂肪酸、碳氢化合物等[3]。
水的相变过程示意图[4]
讨论完相变材料，我们来看看什么是微胶囊。相变微胶囊材料是相变材料颗粒被胶囊层包围，类似于生病时服用的药物中的胶囊，直径从几百微米到几微米不等。这种材料可以有效阻断内部相变材料与外部流体介质之间的相互作用[5]。一般微胶囊的外壳材料分为有机高分子材料和无机高分子材料，前者为合成高分子材料（聚脲、聚苯乙烯、聚氨酯、脲醛树脂等）和天然高分子材料（聚脲、聚脲、聚苯乙烯、聚氨酯、脲醛树脂等）。动植物蛋白及其水解物、多糖）和半合成高分子材料（如羧甲基纤维素钠、羟丙基纤维素等天然产物衍生物）；后者无机材料主要包括碳酸钙、硅酸盐、二氧化钛、二氧化硅等。与有机壳材料相比，无机壳材料具有更强的导热性、热稳定性和机械耐久性，但结构柔性较差[6]。
微胶囊相变材料悬浮液及微胶囊结构示意图
总之，科学家和工程师设计了一种计划，将相变材料装入微胶囊并将其悬浮在流体介质中以进行能量交换。这可以有效解决和改善相变材料的泄漏、相分离、腐蚀等问题。同时，提高了材料稳定性和整体导热性，更薄的壳材料和更细的胶囊粒径大大提高了材料的传热性能和加工性能，而不影响导热。外部流体介质的循环一举实现多个目标。分散在传热介质中的微胶囊相变材料的悬浮液是一种潜热功能热流体。
开头提到的中科院团队的研究对这种潜热功能热流体和微胶囊材料的沸腾传热模型进行了详细的研究，填补了这一碎片化研究领域的空白。研究人员通过数理模型和仿真计算，分析了不同微胶囊芯相变温度下悬浮液的强化沸腾传热特性，以及相应的流场、温度场，得到了微胶囊颗粒的运动机理，得出了相变微胶囊的熔点高。如果芯材的沸点高于外部流化介质的沸点，将获得更高的沸点传热促进能力。在流体介质沸腾过程中，相变微胶囊的核心熔化温度介于壁面和远离壁面的流体温度之间，靠近壁面区域的相变微胶囊周期性运动高温与高温之间。要做的。冷区和冷区不断吸、放，热过程可有效增强近壁面区域的对流换热。上述研究和结论可以有效指导未来大功率芯片和电子产品的设计，确保更好的散热性能。 （作者Hartson是材料工程师，拥有浙江大学材料科学博士学位）
引用：
[1]http://www.iet.cas.cn/news/kyjz/202307/t20230725_6819245.html 研究所在潜功能热流体复杂相变增强沸腾传热研究方面取得进展.——工程热物理研究所科学院
[2] 倪瑞佳， 倪卓. 储能相变微胶囊材料的制备及应用[J]. 化学与粘合， 2017, 39(01):46-50.
[3] Hamad GB, Younsi Z, Naji H, Salan F. 低温储能应用微封装相变材料合成的综合综述[J]. 应用科学. 2021, 11(24):11900.
[4]蔡立海，张兴祥.相变材料微胶囊的研究与应用[J].材料导报，2002(12):61-64.
[5] 沉天伟，卢少峰，辛成，等，微胶囊相变材料研究进展[J]，纺织导报，2017（01）:69-73。
[6] 龚雪， 王成耀， 朱群志. 微胶囊相变材料的制备及应用研究进展[J]. 化工进展， 2021, 40(10):5554-5576.
来源：“科协之声”微信公众号