随着电子设备的微型化与集成化，电子元器件的散热与热控制是当前电子领域重要课题。相变材料（PCM）是一种广泛应用于电子产品的热控制材料。由于微电子元件集成度越来越高，电子设备中有限的空间对PCM相变潜热的充分、精确使用提出了更高的要求。
日前，东南大学化学化工学院张久洋教授课题组在金属-高分子复合电子材料领域取得重要进展。课题组从教科书中经典的三元金属相图出发，获得了具有持续相变能力、可调控、流动性的金属高分子硅脂，成功实现了对现代消费电子的优秀热控制。该研究成果发表于国际顶级刊物《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。
图1. （a）镓金属以及其二元、三元合金的步冷曲线；（b）二元金属的相图；（c-d）三元金属相图以及分析；（e）三元金属相图、等温线以及最大有效潜热的选择路径；（f）e图中70 ℃上个点组分的潜热与固相率；（g）本工作（TM，BM）与传统金属在导热率与熔融范围的比较。
论文从本科教学中经典的步冷曲线、二元相图、三元相图出发 （图1），探讨了金属的相变与潜热的计算。相较于金属单质固定的固液转变温度，二元、三元金属的相变是一种连续的、逐渐的固液相变，其相变发生在较宽的温度范围内，因此二元、三元金属可以在电子设备中提供更宽的温度控制区域，从而实现对电子产品峰值温度的控制。此外，相较于传统有机相变材料，金属材料具有更高的导热系数，结合宽相变区域，可作为非常具有潜力的相变控温材料。进一步的，论文从二元、三元相图出发，发现对每一个等温线的不同组分而言，与共晶线的交点处的组分具有最大的相变潜热，该结论可通过实验（DSC）与固相率证实。
图2. 三元金属-高分子导热硅脂的制备与表征。
由于三元金属独特的流动性，可通过简单的剪切与高分子硅脂进行复合，从而获得均一分散的、稳定的三元金属（TM）硅脂。该硅脂具有优秀的导热率（> 6 W/mk）以及高潜热数值（110 J/cm3）。将该导热硅脂用于热冲击（0.5 mL硅脂置于2.2 W热源）进行评估，发现基于纯镓的硅脂在热冲击（30秒加热，随后冷却）下，尖峰温度达到45摄氏度左右；而基于三元金属的硅脂最高温度为40度，这表明三元金属由于持续的相变，可使得系统的峰温度降低（图2）。
图3. 相变三元金属导热高分子硅脂对LED与电脑CPU（Intel Core i7-11700）的散热效果。
进一步的，该三元硅脂成功应用于常见电子元器件（图3, LED与CPU）的热控制（图3）。对LED（功率：3W）而言，0.2 mL三元金属硅脂可成功在15秒内控制峰值温度不超过44度，低于液态金属镓硅脂下的LED（52 ℃）。此外，将三元硅脂涂覆于CPU表面，并让CPU满负荷运转（100% usage），实验发现未涂覆硅脂的CPU在10秒内温度到达100 ℃，涂覆镓硅脂的散热界面材料在10秒内达到86 ℃，并触发CPU过热预警，随后CPU降频维持温度在80 ℃。然而，涂覆了三元金属硅脂的CPU在10秒内最高温度为68度，远低于上述对照组，证明了三元硅脂对电子元器件优秀的热控制性能。该工作提出了从三元金属相图中获得更有效的金属相变材料的通用策略，成功实现了对常见电子元器件的优秀热控制。
金属-高分子复合电子材料是张久洋教授课题组的重要研究方向，主要探索金属-高分子复合材料在柔性电子、电子元件以及电子化工基础材料中的科学理论与应用前景。前期相关成果还发表于Matter 2021, 4, 3001 – 3014; Adv. Mater. 2021, 202104634; Mater. Horiz. 2021, 8， 3315 – 3323; Adv. Funct. Mater. 2019, 201808989; Mater. Horiz. 2020, 7, 2141-2149 等国际著名期刊。该工作日前得到了国家自然科学基金（52173249, 21774020）资助，论文第一作者为课题组硕士生王花与博士生彭燕；张久洋教授是论文的唯一通讯作者。
论文标题: Fluidic Phase Change Materials with Continuous Latent Heat from Theoretically Tunable Ternary Metals for Efficient Thermal Management
论文链接: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2200223119
