冷冻铸造法制备层状多孔铜/石蜡复合相变材料及其性能增强机制研究

为应对激光器与半导体冷却器件的热管理需求，安徽工业大学团队采用冷冻铸造技术制备了有序层状多孔铜/石蜡复合相变材料(PCMs)。研究发现，当固含量从20 vol%提升至40 vol%时，材料孔隙率降低至78%，导热系数提升至18.12 W/(m·K)，抗压强度达8.35 MPa，且10次热循环后质量损失率仅5%。该研究为高性能热管理材料设计提供了新思路。

　　

随着电子器件向高集成化、高性能化快速发展，激光器和半导体设备的热管理问题日益突出。传统石蜡基相变材料(PCMs)虽具有优异热稳定性，但其固有低导热性（通常<0.5 W/(m·K)）严重制约了应用效果。尽管通过添加多孔铜骨架可提升导热性能，但常规制备方法难以精确调控骨架微观结构，导致复合材料有效导热系数仍不理想。

安徽工业大学材料科学与工程学院的研究团队创新性地采用冷冻铸造技术，成功制备出具有有序层状结构的多孔铜/石蜡复合相变材料。该研究成果发表在《Journal of Energy Storage》上，系统揭示了固含量对材料性能的调控规律：当固含量从20 vol%增至40 vol%时，孔隙率从87%降至78%，骨架壁厚从11 μm增至25 μm，层间距从17 μm缩小至12 μm。这种结构优化使材料抗压强度提升73%（4.83→8.35 MPa），导热系数提高77%（10.25→18.12 W/(m·K)），且热循环稳定性显著改善。尤为重要的是，在相同孔隙率下，有序层状结构比无序结构抗压强度提高18%，相变焓增加30%，导热系数提升57%。

研究团队运用冷冻铸造技术构建定向冰晶模板，通过调控铜粉含量（20-40 vol%）制备梯度多孔骨架，结合石蜡真空浸渍获得复合材料。采用扫描电镜表征微观形貌，热物性分析仪测试导热性能，差示扫描量热仪(DSC)测定相变焓，并建立二维几何模型解析传热机制。

【微观结构】电镜分析显示，有序层状结构具有平行排列的直通孔道（图2a-c），而无序样品呈现相互阻碍的曲折孔道（图2d）。定量分析证实，提高固含量可减小层间距、增厚骨架壁，形成更致密的导热网络。

【固含量影响】理论计算表明，固含量增加通过三方面改善性能：（1）铜颗粒密度提升；（2）浆料导热系数λ_s增强；（3）流变性能改变。公式λ_s=xλ_Cu+(1-x)λ_ice定量描述了固含量x与导热系数的关系。

【性能对比】40 vol%有序样品导热系数达18.12 W/(m·K)，比无序结构（11.52 W/(m·K)）提升57%。DSC测试显示其相变焓达148.6 J/g，10次热循环后质量损失率仅5%，远优于无序结构的13%。

该研究证实，通过冷冻铸造精确调控多孔骨架的层状结构，可突破传统复合相变材料导热性-机械强度-热稳定性的协同优化瓶颈。研究成果为电子设备热管理系统提供了新型材料解决方案，其建立的微观结构-性能关系模型对功能材料设计具有普适指导意义。研究获得安徽省教育厅科研基金（2024AH050173）和安徽省杰出青年科学基金（2408085QE138）支持。