本文是一篇综述性论文，发表于 *j mater sci*（2026）第61卷，作者团队来自北京工业大学材料科学与工程学院、材料低碳循环利用国家重点实验室、北京康普先进技术有限公司及北京信息科技大学。论文系统梳理了相变材料（phase change materials, PCMs）在电子封装热管理领域的研究进展，涵盖PCM的分类、性能优化策略、制备方法、稳定性提升手段及当前挑战与未来方向。
论文首先指出，随着半导体技术的发展，现代电子芯片（如CPU、GPU和5G通信芯片）的功率密度呈指数级增长，部分高性能计算芯片的热流密度已超过1000 W/cm²。传统散热技术如风冷和热管在高热流密度场景下面临显著局限：风冷受限于空气的低对流换热系数，难以有效处理局部热点且能耗较大；热管虽然等效导热系数高，但其传热能力受毛细极限和沸腾极限制约，对瞬态热冲击的响应速度不足。此外，芯片封装尺寸持续缩小，传统散热方案的体积和重量也成为制约电子设备小型化的重要因素。相变材料因其高潜热容量和被动温控特性，为电子封装热管理提供了新的解决思路。其核心优势在于：通过相变过程吸收大量潜热，有效缓冲芯片的瞬态热冲击，显著延长温升时间；相变过程具有自调节特性，能够在相变温度范围内维持±2 °C的稳定温度平台，实现被动精确控温；PCM还可通过微胶囊化或与多孔基体复合形成厚度小于1 mm的超薄散热层，适应现代电子封装的小型化需求。
在PCM分类与特性方面，论文将其主要分为有机PCM、无机盐水合物PCM、金属及合金PCM以及复合PCM。有机PCM包括石蜡基和非石蜡基两类。石蜡基PCM主要由直链烷烃混合物组成，具有高潜热、优异的稳定性和低成本等优点；脂肪酸类PCM来源于动植物，可再生，具有较高的相变焓和良好的热稳定性，但导热系数低且成本较高；聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）基PCM因高潜热、化学性质稳定、无毒且成本低，常用于复合相变材料的聚合物基体。有机PCM的普遍缺点是导热系数大多在0.2–0.4 W/m·K范围内，难以满足高热流密度散热需求，且部分材料可燃。无机盐水合物PCM具有较高的能量存储密度、较低的成本和较高的导热系数（0.5–1.0 W/m·K），相变温度通常在30–60 °C之间，适用于大多数电子元件的散热。但其存在过冷和相分离问题，多次循环后储热能力会明显下降。常用改善方法是添加增稠剂（如羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺等）以增加粘度，防止颗粒沉降。金属及合金PCM具有高导热系数（通常大于10 W/m·K）、高单位体积潜热、大能量存储密度和优异的热稳定性。常用低熔点合金包括镓基、铋基、铟基和锡基合金，其熔点可低至3 °C（如Ga-25In-13Sn-1Zn），适用于电子器件热管理。金属PCM的主要缺点是成本高、密度大，部分合金在相变过程中存在泄漏风险。
论文重点阐述了复合相变材料在解决单一PCM缺陷方面的优势。有机-无机复合PCM通过将高导热无机填料（如膨胀石墨、石墨烯、金属泡沫、纳米颗粒）引入有机PCM基体中，能够同时提高导热系数并降低弹性模量，从而更好地贴合芯片表面，有效降低界面热阻。例如，在石蜡中加入3 wt%的CuO可使导热系数从0.23 W/m·K提高到0.576 W/m·K（提升150%），但相变潜热从153.21 kJ/kg下降至115.28 kJ/kg（降低24.75%），说明在设计复合材料时需要在导热系数和潜热之间进行权衡。在PDMS基体中填充液态金属，复合材料在受压时导热系数可达8.3 W/m·K。以热塑性SEBS为柔性支撑载体、石蜡为PCM并添加六方氮化硼（h-BN）制备的柔性复合PCM，导热系数可达2.7 W/m·K，潜热为127.8 J/g。多组分复合PCM则进一步通过合金化或与非金属多孔载体结合实现性能协同优化。例如，铜泡沫-石蜡复合材料的导热系数可达3.3705 W/m·K，是纯石蜡的12.96倍；明矾/膨胀石墨复合相变材料在不同表观密度下导热系数最高可达5.875 W/m·K，较纯明矾提高11.82倍。
制备方法方面，论文介绍了四种常见工艺。直接混合法操作简单、成本低，但存在填料团聚和PCM易泄漏的问题；多孔材料浸渍法利用多孔基体的毛细力、表面张力和氢键作用将熔融PCM注入孔隙中，冷却后形成稳定的复合PCM，可有效防止泄漏并提高导热系数；冰模板法通过定向冷冻溶剂形成开放且对齐的孔道结构，再填充PCM，能够制备具有定向导热通道的新型复合材料；糖模板法利用蔗糖或葡萄糖晶体作为牺牲模板，通过水溶解去除模板获得可控孔结构的多孔骨架，适合大规模工业生产。
在导热系数增强策略中，论文详细列举了碳材料、金属泡沫和纳米颗粒三类填料的研究进展。石墨烯及其衍生物因其独特的导热性和结构可设计性而成为研究热点。通过“重力辅助润湿粘合法”将二维石墨烯纸与三维石墨烯泡沫复合，构建的GP/GFSAC/GP三明治结构导热系数达到1.72 W/m·K，经100次冷热循环后仅下降至1.56 W/m·K，且结构完整无分层。以棕榈酸为相变基体、通过水热法构建三维多孔杂化石墨烯气凝胶（HGA）作为支撑骨架，导热系数高达2.1 W/m·K，较纯棕榈酸提高854%，且100次热循环后相变温度和焓值变化极小。膨胀石墨（EG）与碳纤维（CF）协同构建双组分导热网络，可显著提升导热性能同时保持高相变焓。利用激光切割和堆叠技术制备的垂直对齐石墨膜与微胶囊复合材料，面内导热系数可达51.55 W/m·K。金属泡沫具有高导热系数和三维互连孔结构，可为PCM提供快速传热路径。研究表明，增加孔密度和降低孔隙率可改善传热但会削弱自然对流；铜泡沫骨架可使石蜡熔化时间缩短27.49%。纳米颗粒如Al₂O₃、CuO、碳纳米管等能显著提高导热系数，但需要严格控制掺杂比例，因为高负载量会增加粘度并降低储热容量。
微胶囊化方面，论文指出微胶囊相变材料（microencapsulated phase change materials, MPCMs）由PCM核心和聚合物或无机壳层组成，常见制备方法包括界面聚合、悬浮聚合、凝聚、乳液聚合和喷雾干燥。通过优化壳层材料选择、引入纳米填料和构建多维导热网络，可显著提高MPCMs的导热性和循环稳定性。例如，氧化石墨烯（GO）作为Pickering乳化剂不仅能稳定乳液，还能提高微胶囊的导热性。引入沥青基碳纤维和片状石墨构建多维导热网络，导热系数可达1.021 W/m·K，同时保持81.540 J/g的储热性能。
稳定性优化是防止PCM泄漏、保证长期可靠性的关键。微胶囊化技术通过柔性聚合物壳层（如聚氨酯、聚脲）将PCM限制在微米或纳米尺度内。受传统镀金技术启发制备的LM@GO微胶囊，导热系数可达11.8 W/m·K，在150 °C加热1小时后无泄漏，多次热循环后GO包覆层仍能有效抑制液态金属氧化和泄漏。多孔基体吸附利用膨胀石墨、硅藻土、金属泡沫等高吸附能力材料将液态PCM锁定在孔隙中，如“开式封装”策略利用丙烯酸聚合物发泡微球吸附液态PEG，在防止泄漏的同时保持良好的润湿性，接触热阻降低至0.5–0.9 K·cm²/W。形状稳定复合相变材料（shape-stable PCMs, ss-PCMs）通过化学或物理交联使材料在PCM熔化后仍保持固态形状。例如，通过化学交联制备的有机硅凝胶相变材料泄漏率低至1.81%，相变潜热为50.45 J/g；将石蜡嵌入聚烯烃弹性体网络制备的柔性PCM兼具高相变焓（>150 J/g）、优异柔性（断裂伸长率>60%）和防泄漏性能。
论文最后指出现有研究方法的若干局限性，包括缺乏对热循环过程中PCM行为的原位表征、性能评价标准不统一等问题。未来研究应聚焦于热-机械耦合疲劳测试、低模量与低界面热阻的协同优化，以及仿生层级结构、本征柔性高导热填料和刚度梯度界面层等创新微观结构设计。总体而言，复合PCM尤其是有机-无机和多组分体系已成为最具可行性的方案，通过高导热填料、微胶囊化和多孔基体等策略，PCM在导热性、循环稳定性和防泄漏性能方面取得了显著进展，为高功率密度电子器件的热管理提供了有效的被动解决方案。