一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构及其应用

本发明属于电子器件热管理，涉及一种相变复合材料封装结构，还涉及其在周期性工作的大功率器件热管理中的应用。

背景技术：

1、武器装备中装载了大量周期性工作的大功率器件，通常安装环境恶劣，处在有限的封闭空间中，其在工作中产生大量的废热，引起热量时空累聚导致局部高温，致使元器件的热失效或损毁(温度每升高10℃，元器件可靠性下降50％)。目前用于某些周期性工作的大功率器件的冷却系统体积大、重量大、功耗大，严重制约了武器系统的快速性和便携性，因此急需研制轻质化、小体积、低功耗的冷却散热系统。

技术实现思路

1、针对现有周期性工作的大功率器件冷却系统体积大、重量大、功耗大的不足，本发明的目的在于提供基于石墨烯基相变复合材料封装结构及其应用，该轻质石墨烯基高焓值相变复合材料采用高面内导热系数、低密度的石墨烯宏观提和高焓值相变材料，在减小重量、体积和功耗的同时能够满足周期性工作的大功率器件的散热需求。

2、为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，由上至下依次为盖板、石墨烯基相变复合材料、底壳；

4、所述盖板包括上板和设置在上板一侧的十字型肋条，上板上开设有多个圆孔；

5、所述石墨烯基相变复合材料包括有序多孔石墨烯宏观体材料和嵌入有序多孔石墨烯宏观体材料中的相变材料；石墨烯基相变复合材料与盖板贴合的一面设置有与十字型肋条适配的十字型缝隙；石墨烯基相变复合材料与底壳贴合的一面设置有井字型缝隙，石墨烯基相变复合材料上开设有多个圆柱孔；

6、所述底壳包括底板，设置在底板周圈的围壳，设置在底板上与井字型缝隙适配的井字型肋条和圆柱；

7、所述圆孔、圆柱孔和圆柱的位置和尺寸适配。

8、为解决大功率器件周期性工作中产生大量的废热，引起热量时空累聚导致局部高温，致使元器件的热失效的问题，本发明设计的基于石墨烯基相变复合材料封装结构在用于周期性大功率器件热控时，固定于热流区域表面，由于其具有较高的面内导热系数和潜热值，在减小冷却系统体积和重量的同时能有效地保证器件的热安全。本发明设计的基于石墨烯基相变复合材料封装结构，在大功率电子器件工作时，通过热传导的方式，将大功率器件产生的热量传输到石墨烯基相变复合材料中，大部分热量通过潜热的方式储存在石墨烯基相变复合材料中，在大功率器件待机时，利用主动冷却、辐射散热等方式将储存的热量释放，以此循环往复。利用热传导方程理论解析和数值仿真的方法，通过优化封装结构设计，最终获得轻质石墨烯基高焓值相变复合材料封装结构。

9、本发明的石墨烯基相变复合材料封装结构由有序多孔石墨烯骨架复合相变材料基体及封装外壳构成，多孔石墨烯骨架复合相变材料基体采用了高潜热的相变材料和高导热的有序多孔石墨烯宏观体，赋予了其高焓值和高面内导热系数，相变复合材料焓值大于220j/g，面内导热系数高于35w/(m k)，不但可以提供较大的蓄热容量，而且赋予封装结构良好的导热性能，使得热量可以在面内方向迅速传递，避免大功率电子器件热量的累积。

10、本发明的石墨烯基相变复合材料封装结构的底壳采用石墨铝复合材料，比铝具有更大范围、更高效的热流疏导能力，且比铝更轻，使用时与大功率电子器件产生废热的一面相接触，将高热流密度区的热流迅速转移到相变复合材料低温区，使热流在整个大功率电子器件表面均匀分布，使大功率电子器件温度维持在安全使用温度范围内。本发明的石墨烯基相变复合材料封装结构具有轻质、高导热率的特点，通过理论计算，封装结构整体重量小于1.5g/cm3；通过模拟仿真研究，面内导热系数大于120w/(m k)，厚度方向导热系数大于10w/(m k)。综上所述，本发明的石墨烯基相变复合材料封装结构通过利用各材料的特点通过封装组合，高效管理大功率器件表面周期性热流，在底壳中利用石墨铝和相变复合材料中利用有序多孔石墨烯实现沿面内方向的快速传热，在石墨烯相变复合材料中利用高潜热值的相变材料增大吸收的热量容量，使最终满足大功率器件工作周期内的温度符合安全控温要求。

11、优选的，所述盖板使用的材料为成本较低的铝，盖板厚度为2mm～2.8mm，保证石墨烯基相变复合材料封装结构整体质量较轻，“十”字型肋条高为2mm～4mm，保证石墨烯基相变复合材料在厚度方向上不被肋条贯穿，中间部位的石墨烯基相变复合材料中没有肋条的存在，使其无法形成“热桥”，热量不会通过肋条直接传递到另一面；“十字”型肋条顶端距盖板边缘处距离为5mm～10mm，是为了保证石墨烯基相变复合材料在面内方向上不被肋条贯穿，避免形成“热桥”，圆孔直径为6mm～10mm。

12、优选的，所述底板使用的材料为铝和石墨铝，其中肋条、圆柱和围壳所使用的材料为铝，其余部分的板材使用的为石墨铝，底板使用石墨铝的部分的厚度为2mm～2.8mm；“井”字型肋条高为2mm～4mm，保证石墨烯基相变复合材料在厚度方向上不被肋条贯穿，使其无法形成“热桥”，“井字”型肋条顶端距底壳边缘处距离为5mm～10mm，保证石墨烯基相变复合材料在面内方向上不被肋条贯穿，避免形成“热桥”；圆柱为梯度设计，大直径为8mm～12mm，高度与石墨烯基相变复合材料厚度相同，大直径与小直径相差2mm，小直径为6mm～10mm，高度与上板厚度相同。

13、所述石墨烯基相变复合材料使用有序石墨烯多孔骨架作为相变复合材料基体材料，有序多孔石墨烯宏观体的特点是其有各项异性的导热系数和高孔隙率，在93％的高孔隙率下，面内方向的导热系数能够达到60w/(m k)以上，远高于现有的石墨烯骨架材料；相变材料为潜热值大于240j/g的有机烷烃类相变材料，满足周期性循环使用时对潜热值的要求；石墨烯基相变复合材料整体厚度为14.4mm～20mm；石墨烯基相变复合材料与盖板贴合的一面有十字型缝隙，缝隙高度和宽度与上板十字型肋条相同；石墨烯基相变复合材料与底壳贴合的一面有有“井”字型缝隙，缝隙高度和宽度与上板“井”字型缝隙相同；石墨烯基相变复合材料中有5个圆柱孔，孔直径为8mm～12mm，在加工时首先对大尺寸石墨烯基相变复合材料胚料进行加工，使其能够与封装外壳相匹配。

14、与现有技术相比，本发明带来的有益效果为：

15、1.采用高潜热相变材料，增大了储热密度，增强了面对大功率电子器件散热时的储热容量；

16、2.通过使用有序多孔石墨烯宏观体，增大面内导热系数，高效将大功率电子器件表面热流传递到相变材料中；

17、3.石墨铝材料作为与热流接触的封装外壳，减小重量的同时可以实现热量的快速传递；

18、4.封装结构具有较好的机械性能，圆柱的使用增强了其在多种复杂环境下使用的通用性；

19、5.采用轻质高焓值高面内导热系数的石墨烯基相变复合材料与石墨铝外壳，在减小重量、体积和功耗的同时可以实现热量的快速传递，满足周期性工作的大功率器件的散热需求，并且方便和器件分离，方便拆卸。

技术特征：

1.一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：由上至下依次为盖板(1)、石墨烯基相变复合材料(2)、底壳(3)；

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：所述上板(11)和十字型肋条(12)的材质为金属铝或者石墨铝复合材料，上板(11)上有5个圆孔(13)。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：所述有序多孔石墨烯宏观体材料(21)为导热系数各项异性的多孔石墨烯泡沫，具有高面内导热系数；所述相变材料(22)为烷烃类有机相变材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：所述有序多孔石墨烯宏观体材料(21)的孔隙率大于0.9。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：所述底板(31)的材质为石墨铝复合材料，围壳(32)、井字型肋条(33)和圆柱(34)的材质为铝合金。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：所述上板(11)的厚度为2mm～2.8mm，十字型肋条(12)高为2mm～4mm，十字型肋条(12)顶端距上板边缘处距离为5mm～10mm，圆孔(13)直径为6mm～10mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：所述底板(31)的厚度为2mm～2.8mm，井字型肋条(33)高为2mm～4mm，井字型肋条(33)顶端距底壳边缘处距离为5mm～10mm，圆柱(34)为梯度设计，大直径为8mm～12mm，高度与石墨烯基相变复合材料(2)厚度相同，大直径与小直径相差2mm，小直径为6mm～10mm，高度与上板(11)厚度相同。

8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：所述石墨烯基相变复合材料(2)整体厚度为14.4mm～20mm；石墨烯基相变复合材料(2)中有5个圆柱孔(24)，圆柱孔直径为8mm～12mm。

9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构，其特征在于：所述的一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构整体为长方体构型，其中长和宽相同，尺寸大于400mm。

10.权利要求1～9任一项所述的基于石墨烯基相变复合材料封装结构的应用，其特征在于：用于周期性工作的大功率电子器件的热管理，在大功率电子器件工作时，将该封装结构的底壳固定于大功率电子器件热流区域表面，通过热传导的方式，将大功率器件产生的热量传输到石墨烯基相变复合材料中，大部分热量通过潜热的方式储存在石墨烯基相变复合材料中，在大功率器件待机时，利用主动冷却、辐射散热方式将储存的热量释放，以此循环往复；在减小冷却系统体积和重量的同时能有效地保证大功率电子器件的热安全。

技术总结
本发明公开了一种基于石墨烯基相变复合材料封装结构及其应用，石墨烯基相变复合材料封装结构由石墨烯基相变复合材料和封装外壳组成；其中，石墨烯基相变复合材料由大尺寸有序多孔石墨烯宏观体材料和高潜热相变材料构成；封装外壳由底壳和盖板构成；底壳由石墨铝底板和铝围壳组成；底壳底板上有井字形肋条和圆柱；盖板铝平板和铝十字形肋条组成；该石墨烯基相变复合材料封装结构能够适应不同工作周期、提高热流调控能力，具有导热和储热的综合效果，满足限域空间内周期性工作的大功率电子器件正常运行时的热管理需求，解决了有限空间内大热量精准疏导、抑制壁面因热流随时间的积分累聚效应导致温度快速跃升的问题。

技术研发人员：屈治国,赵新波,江智元
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/23