2025年激光器行业现状分析：固液相变储能技术革新热管理格局

  随着科技的飞速发展，2025年激光器行业在众多领域的应用愈发广泛且深入。从医疗、科研到工业制造、军事领域，激光器都发挥着不可或缺的作用。尤其是高功率激光器，其功率不断突破，部分已达到百千瓦量级。然而，激光器在高功率输出时产生的热量积累问题，严重制约着其性能提升与进一步发展，热管理成为行业关注的焦点。固液相变储能技术凭借独特优势，为激光器热管理带来了新的解决方案，正在悄然革新热管理格局。

  一、适用于激光器热管理的固液相变材料特性剖析

  固液相变材料作为固液相变储能技术的核心基础，其性能直接影响着激光器热管理的效果。《2025-2030年全球及中国激光器行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，根据材料的化学组成与性质，可将其分为有机相变材料、无机相变材料以及共晶相变材料三大类。

  有机相变材料中的烷烃类，相变温区广泛，从十二烷的 -12℃到二十七烷的 58.8℃，随着碳原子数增加，相变温度逐步上升。该类材料价格实惠、无腐蚀性，稳定性良好且使用寿命长，固液相变时自发成核、过冷度小，体积变化也较小，但导热系数低且具有可燃性。非烷烃类有机相变材料，如脂肪酸、多元醇和脂类，普遍存在导热率低、有毒性、闪点低等问题，部分材料在高温下还有爆炸风险。

  无机相变材料中，熔融类相变温度过高，与激光器通常 60℃以下的工作温区不匹配;结晶水和盐类相变材料虽具有高相变潜热、高导热率等优点，但过冷度高、相分离、腐蚀性强且液态导电等问题突出，限制了其大规模应用;低熔点金属及合金类，虽有极高的单位体积相变潜热和高导热率，但密度大、单位质量储能密度低、价格昂贵，难以广泛推广。

  共晶相变材料由多种组分按特定比例混合而成，相变温度通常低于各纯组分，不过其相变潜热和比热容偏低，循环稳定性差，材料配比与相变温度关系尚不明确，基础物性数据不足，大规模工程应用面临诸多困难。

  综合比较，有机相变材料凭借其低廉的成本、较高的相变潜热和良好的稳定性，在激光器热管理系统中得到广泛应用。但为应对激光器高功率散热需求，需对其进行导热强化处理，并优化结构设计与封装工艺。

  二、激光器热管理中固液相变材料的导热强化策略探究

  除金属类材料外，大多数固液相变材料导热性能欠佳，有机相变材料导热系数仅在 0.1 W/(m∙K) - 0.3 W/(m∙K) 之间，难以满足激光器短时、高功率、高热流密度的散热需求，因此需要采用多种导热强化策略。

  微观改性方面，常选用石墨粉、碳纳米管、纳米金属、纳米氧化物等粉末或颗粒状材料，通过分散混匀法与相变材料均匀混合，形成复合材料。将 Cu 纳米颗粒分散至石蜡中，添加质量分数为 1% 的 Cu，就能使复合相变材料的加热时间减少 30.3%，冷却时间减少 28.2% 。

  多孔吸附法利用膨胀石墨、泡沫石墨、泡沫金属等具有多孔结构的高导热骨架材料，采用熔融共混法，在真空环境中将相变材料融化后吸附于多孔材料中。在正二十二烷中添加 10% 的膨胀石墨，复合后材料导热系数可提升 3.7 倍;将膨胀石墨压缩为高密度石墨基质吸附石蜡，导热系数相比纯质能提高 20 - 130 倍 。

  宏观结构强化则通过添加翅片等方式实现。研究表明，相变材料融化速度会随翅片数量增加而加快，当翅片与内外管道均接触时强化效果最佳。当铝翅片和碳翅片在相变材料中体积占比分别为 22.67% 和 24.68% 时，表观导热系数可分别达到 9.4 W/(m∙K) 和 7.0 W/(m∙K) 。

  不过，这些强化方式都需要添加额外的导热强化材料，强化效果依赖于材料占比，且会降低相变储能设备的储能密度。在实际应用中，需根据具体约束条件，优化传热强化设计，以发挥固液相变高储能密度的优势。

  三、固液相变储能技术在低功率器件级激光器热管理中的应用实践

  在低功率器件级激光器热管理中，固液相变储能技术发挥着重要作用。这类激光器在散热时，热量先传导至热沉，再通过液冷或风冷排出。在热管理设计中，将相变材料填充于热沉模块，利用其相变时吸收或释放大量能量且温度恒定的特性，使激光器在工作过程中保持温度稳定。

  早期，该技术主要用于激光器光学元件散热，如腔镜和光路中传输高功率密度激光的元件。随着技术发展，其应用范围逐渐扩展到激光器抽运源及整体结构的热管理。在 50W 半导体激光器散热设计中，使用正十八烷结合插层结构鳞状石墨强化材料导热，并添加翅片，再结合半导体制冷形成相变热沉缓冲结构，有效延长了激光器工作时间;在 1kW 光纤激光器散热研究中，利用泡沫铜强化相变材料导热，大幅减小了整机尺寸和重量，使激光器能持续工作 5min 以上，功率密度比可达 70W/kg 。

  固液相变储能技术在低功率器件级激光器热管理中已具备实用化条件，但仍需进一步探索传热强化技术，研究固液相态转变及传热规律，建立高精度传热模型，同时加强对激光器相变热沉恢复过程和多次连续工作特性的研究，以推动该技术的大规模工程应用。

  四、固液相变储能技术在高功率系统级激光器热管理中的发展态势

  高功率系统级激光器热负载常达到兆瓦量级，对热管理系统要求极高。固液相变储能技术凭借高储能密度和等温相变特点，成为这类激光器热管理的重要选择，但需与强制对流、喷雾冷却、环路热管、机械泵驱两相流等散热方式结合，形成完整的热管理系统。

  国外在该领域起步较早，多家机构开展了相关研究。通用原子能公司研究发现，针对 100kW 高功率激光器，蓄冷模式采用固液相变储能技术可使蓄冷材料重量仅为直冷模式的 1/10;美国空军研究实验室提出结合相变储能和喷雾冷却的热管理系统，相变储能模块采用板式换热结构，填充碳泡沫强化的正二十烷，储能密度高达 77kJ/kg 。

  国内在 21 世纪初开始相关研究，但后续跟进不足，学术报道较少，系统针对的激光器热负载相对较低。机载高功率激光器热管理系统方案采用环路热管和相变储能传输、存储热量;结合相变储能模块和机械泵驱两相流体回路技术，在 12kW 热负载下可使激光器温度波动小于 ±3℃稳定运行 147s 。然而，目前国内外的研究多集中于热管理系统流程设计与模拟分析，缺乏部件级和系统级实验验证，未来需要加强实验研究，以支撑高功率激光器的大规模工业化应用。

  综上所述，固液相变储能技术在激光器热管理领域展现出巨大的应用潜力。它能够有效控制激光器工作温度，延长工作时间，减小热管理系统体积和重量，提高储能密度和功率密度。在低功率器件级激光器中，该技术已逐步实现实用化，但仍需在传热强化和基础机理研究方面深入探索;在高功率系统级激光器应用中，虽前景良好，但面临实验验证不足等问题。未来，应加强固液相变储能技术的实验研究，深入探究传热机理，突破材料低导热限制，推进相关传热设备的实用化和工程化，优化与激光器热管理系统的匹配，从而实现该技术在激光器热管理领域的大规模工程应用，为激光器行业的发展提供强大助力。

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