一种实验方法研究纳米材料与针翅同时使用对混合相变材料在芯片组冷却和储能应用中行为的影响

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：An experimental approach to study simultaneous usage of nanomaterials and pin-fins on the behavior of hybrid PCMs for chipset cooling and energy storage applications

　　

# 摘要

本研究全面实验性地探讨了引入多种纳米材料和针翅结构对混合相变材料（PCMs）热行为的协同影响。以石蜡、十六醇及其特定比例的二元混合物为基础制备混合相变材料。为合成稳定的纳米增强相变材料（NEPCMs），采用两步法将四种不同纳米材料——即金（Au）、二氧化钛（TiO?）、二氧化硅（SiO?）和碳纳米管（CNTs）——以0%、1.25%、2.5%和5%的质量分数分散于基体中。为降低实验成本并实现严格的统计分析，采用田口实验设计（DOE）框架结合方差分析（ANOVA），对四个主要因素（相变材料类型、纳米材料类型、质量分数和针翅数量）在四个操作水平下的影响进行评估，并辅以双因素交互作用分析。系统监测了三项关键性能指标：熔化时间、熔化温度和热储能（TES）效率。此外，对田口法预测的最优配置进行了独立实验验证，结果显示二者吻合度极高，最大相对误差仅为0.59%。结果表明，针翅数量对熔化时间的影响最为显著，随着针翅密度的增加，熔化时间最多可缩短22%。此外，增加纳米材料质量分数可使熔化时间减少5%。较高的针翅数量和较大的纳米颗粒质量分数均显著抑制了熔化温度，同时成功实现了热储能效率最大22.08%的提升。本文亮点包括多参数优化框架和瞬态热分析。

# 引言

如今，能源被认为是影响人类繁荣和日常生活最关键的因素之一；如果没有能源，交通、热舒适性和医疗保健等关键进程将受到严重干扰。鉴于能源在现代生活中的重要作用，难以想象没有能源的生活。考虑到过去五十年全球能源消耗量的急剧增长与前两个世纪相比的巨大变化，确保可靠的能源供应和优化其利用已成为当务之急[1], [2]。

鉴于资源的减少和化石燃料的枯竭即将在未来到来，以及它们带来的广泛环境后果，采用可再生能源和基于可持续发展原则的热储能方法等适当的能源供应方式将是不可避免的[3], [4]。

目前，热储能（TES）是实现现代社会可持续发展的关键策略。热储能系统基于防止能量释放到环境中的原理，采用三种方法：显热、潜热和热化学储存系统。众所周知，潜热储能的能量储存密度高于显热储能。使用潜热储能的优势还包括在吸热和放热过程中温度近似恒定[5], [6]。

近年来，相变材料（PCMs）在潜热储能和电子芯片热管理中的应用引起了显著的研究兴趣。相变材料中的相变会导致大量能量的吸收和释放，可在适当的时间和地点加以利用[7], [8], [9]。

根据相变过程，相变材料可分为固-液、液-气和固-固类别。相变材料的其他分类包括：有机、无机和共晶类。有机类包括石蜡和非石蜡类别，无机类包括水合盐和金属类别。共晶类由两种或多种相变材料的均质组合而成，其类别包括：有机-有机、有机-无机和无机-无机[10], [11]。

不同类型的相变材料具有不同的热力学性能。Wei等人[12]报道了选择合适相变材料的考虑因素：合适的相变温度、高热导率、高潜热、相变过程中体积变化小、低过冷温度、低成本、安全性、高稳定性、低蒸气压和快速结晶、高热扩散率[13]。

图1展示了热导率和相变材料熔点温度范围，这是最适用的参数之一[14]。

有机相变材料热导率较低，这是其弱点之一。提高相变材料热导率的一种方法是向其添加低密度、高热导率的纳米颗粒。另一种方法是使用金属针翅[15]。

N. Javani等人创建了一种潜热储能系统用于冷却电动汽车电池，克服了传统换热器的局限性。通过用碳纳米管（CNTs）增强相变材料，他们提高了热导率。研究发现，在相变材料中采用较高的CNT浓度和串联排列可减少管长并提高传热效率[16]。

C. J. Ho等人进行了实验研究，考察了使用纳米增强相变材料（NEPCM）颗粒作为水中冷却液的微通道热沉的热效率和流体效率。他们发现，在雷诺数为133、潜热-显热比为0.0472的条件下，传热速率提高了52%。实验表明，该系统在低流量和低潜热-显热比条件下表现更好。然而，使用这些先进冷却液需要泵来管理因较高粘度和摩擦引起的压降[17]。

A. B. S. Alquaity等人研究了含有月桂酸纳米颗粒的水基流体模型用于电子设备冷却。在10%纳米颗粒浓度下，他们实现了最大有效系数、性能指数和优度值分别为2.75、1.67和0.64，表明相变材料在电子冷却应用中的传热特性得到增强[18]。

另一项研究比较了环境空气、石蜡相变材料和CuO/石蜡相变材料用于冷却电子系统的效果。他们报告与空气相比，CuO/石蜡相变材料和石蜡相变材料可使表面温度分别降低15和12 K[19]。

在多种负载条件下，实验研究了利用多壁碳纳米管（MWCNT）增强石蜡的芯片散热器的热性能[20]。引入相变材料显著延长了使用时间，而纳米相变材料相比纯相变材料可将冷却时间缩短最多6%。在间歇循环中，峰值温度也得到了有效控制。

美国能源部和美国陆军的研究已确定赤藓糖醇是一种有前景的相变材料，适用于电力电子设备热缓冲散热器，其熔化温度为118°C，略低于硅的热极限。美国能源部的研究指出，该相变材料概念可使硅电子器件在105°C冷却回路下运行，与传统非相变材料系统相比，散热器尺寸和重量可减少30–50%[21], [22]。现代电子产品的微型化趋势导致计算机系统产热量增加， necessitating冷却技术的进步[3]。

电子设备中的过量热量会导致系统故障和性能下降。研究表明，温度每升高30°C（从50°C到80°C），电子芯片的平均故障前时间约减少75%。Jeng等人引入了一种混合冷却系统，将利用Al?O?/水纳米流体的液冷系统与采用烃类制冷剂的蒸气压缩制冷系统相结合。该系统设计用于有效冷却电子芯片和其他高发热组件，从而提升设备性能并延长使用寿命[23]。

一种利用垂直排列的碳纳米管阵列并填充相变材料的热阻尼器被探索用于平滑电子元件的温度峰值[24]。通过加密碳纳米管阵列和利用优化粘接界面，显著降低了热阻。该结构有效抑制了瞬态振荡，特别是在频率接近0.1 Hz的情况下。

另一项独立研究表明，当温度升高时，微处理器、微控制器、数字逻辑电路和电子设备的效率与速度会下降。此外，研究发现CMOS芯片在-100°C工作温度下的性能是85°C下的4.3倍[25], [26]。

电子设备中的高热通量管理可通过采用相变冷却技术有效解决。相变材料可储存大量焓值，从而使关键部件的温度维持在电子设备的安全运行参数范围内[27], [28], [29], [30]。

Zacharias等人指出，合成过程显著影响纳米增强相变材料的热性能，更长的超声波处理和搅拌可减少团聚现象。熔融浸渍是主要的合成技术，采用纳米填料进行真空浸渍。他们还报告，纳米增强相变材料中较高的纳米颗粒浓度会增加粘度，提升传导传热并减少自然对流[31]。

通过田口方法优化了填充石蜡的针翅散热器几何配置以最大化运行时间[32]。对于50°C的临界温度，确定的最优相变材料体积分数为60.61%；对于更高的阈值则需要82.65%。揭示了相变材料与热导率增强材料体积之间的复杂关系。

Gur等人引入了一种创新冷却系统，在相变材料中整合氧化钇（Y?O?）纳米颗粒以增强电子设备的热管理。研究结果表明，将纳米Y?O?掺入肉豆蔻酸纳米复合相变材料中为电子设备热管理和热储能应用提供了有前景的途径。此外，他们报告相变材料的热导率有所提高，最高可达0.229 W/(m·K)[33]。

Faraji等人描述了一种用于增强热管理的计算方法。将四种纳米颗粒——银（Ag）、氧化镁（MgO）、多壁碳纳米管（MWCNT）和二氧化硅（SiO?）——以0%到4%的比例掺入正二十烷中。与纯相变材料相比，使用SiO?-MWCNT混合纳米颗粒可使熔化时间增加约92%，纳米增强相变材料温度降低11°C[34]。

提出了一种新型级联相变材料散热器，利用低熔点合金，并使用遗传算法进行优化[13]。级联排列使热管理时间增加7.2%，遗传优化后增加12.4%。该设计还被证明可有效缩短系统的整体冷却时间。

另一项近期研究将聚乙二醇-1500（PEG-1500）与氧化石墨烯纳米颗粒联合使用。该方法应用于笔记本电脑的混合系统中，使热导率提高了16.81%，温度降低了约10°C[35]。

此外，通过使用菲尔德金属浸渍铜泡沫复合材料，电力电子设备的冷却效率得到了显著提升，与传统铜基系统相比，温度波动减少了21.3%[36]。

纳米颗粒在增强相变材料性能方面发挥着关键作用，通过提升热导率和优化熔化与凝固时间来改善性能。石墨烯基纳米颗粒具有极高的热导率（约5000 W/(m·K)），有潜力将相变材料的热导率提高高达300%，从而实现更快更均匀的散热[36]。

最近，在散热器配置方面进行了创新性的研究工作[37], [38]。一项研究介绍了一种新型双层微通道散热器，采用嵌套冲击射流和前置分叉设计。实验结果表明，60°分叉设计相比传统模型表现更优，使峰值温度降低了2.56 K，热阻降低了5.14%，努塞尔数提高了8%[37]。虽然微通道散热器等主动冷却技术在处理高热通量方面取得了显著进展，但提高能源储存可持续性仍然迫切需要高效的被动冷却解决方案。

尽管文献中已有充分记载了纳米颗粒和翅片表面单独加入相变材料所带来的各自益处，但对它们的同步和交互影响的全面理解仍然有限。具体来说，缺乏系统性的实验数据来评估不同混合相变材料组合（石蜡/十六醇）、不同纳米材料类型（金属、金属氧化物、非金属氧化物和碳纳米管）、质量分数和针翅密度的组合如何共同影响瞬态熔化特性。为弥补这一研究空白，本研究全面考察了这些参数对芯片散热和热储能应用的协同影响。利用田口实验设计（DOE）框架优化实验室效率，并进行专门的多变量交互作用分析，系统地量化了相变材料混合比例、纳米材料类型、质量分数和针翅配置的作用。本文的主要创新在于评估同时效应并揭示几何参数与材料参数之间复杂的非线性耦合关系，表明热性能由参数匹配性而非单独变化所决定。

这些变量不仅根据总熔化时间和平均熔化温度这两个瞬态指标进行评估，还从整体储热系统（TES）效率方面进行评估，为下一代芯片散热和被动热管理系统提供了详细的相互作用见解和稳健的优化框架。章节片段实验装置与分析石蜡和十六醇（鲸蜡醇）是两项在新研究中广泛使用的相变材料（PCM），本研究中制备了这两种材料。所选的两种相变材料均为分析级，纯度为99.9%，购自Merck公司，直接使用未经进一步处理。据生产商报道，石蜡和十六醇的热导率分别为0.201和0.219 W/m·K，比热容分别为2.15和2.21 kJ/kg·K。Au、TiO?、SiO?和碳纳米管（CNT）均为……结果与讨论在进行实验之前，对所有测量设备进行了校准并确保其性能正常。对于所有实验，分别测量了热导率、比热容和潜热，如图5所示。为避免测试台与周围环境之间的热传递，整个实验装置放置在一个更大的腔体内。纳米粒子的稳定性和防止沉降对于确保……至关重要。结论本研究中采用实验方法研究了同时使用纳米材料和针翅对混合相变材料在芯片散热及储能方面行为的影响。本研究中使用的相变材料为石蜡和十六醇，以及它们按特定比例的组合。四种纳米材料包括Au、TiO?、SiO?纳米颗粒和CNT，以0、1.25、2.5和5 wt%的质量分数添加到相变材料中，采用两步法进行……CRediT作者贡献声明Abazar Abadeh：撰写——初稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Aliasghar Khodabakhshi：数据管理。Sarallah Abbasi：撰写——初稿。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。Abazar Abadeh|Aliasghar Khodabakhshi|Sarallah Abbasi，伊朗阿拉克工业大学机械工程学院，邮编38181-41167，伊朗阿拉克