增材制造在增強(qiáng)相變材料導(dǎo)熱性能中的應(yīng)用

來源：安世亞太
作者：李權(quán)樹,，工學(xué)碩士，安世亞太DfAM賦能業(yè)務(wù)部流體仿真工程師


近年來隨著國家航空航天領(lǐng)域的迅速發(fā)展,，高速,、超聲速等飛行器的電子設(shè)備熱防護(hù)問題日益凸顯。由于飛行器自身限制,，地面環(huán)境中的常規(guī)散熱方式如自然對(duì)流,、強(qiáng)制風(fēng)冷/水冷等無法同樣適用。

這主要是由于此類飛行器的工作環(huán)境在超高空,、太空等真空,、近真空或高速氣動(dòng)的高溫環(huán)境中，飛行器嚴(yán)苛的體積重量要求也限制了其熱控設(shè)備的選擇空間,，此外此類熱載環(huán)境多是瞬時(shí)高峰值熱載荷或者循環(huán)波動(dòng)熱載荷等不規(guī)律熱載,。目前為了安全起見常采用增大熱防護(hù)設(shè)備熱容、表面燒蝕等方法進(jìn)行熱防護(hù),，顯而易見的是這樣會(huì)大大增加熱防護(hù)設(shè)備重量,，增加飛行器成本及損害一定的安全穩(wěn)定性。因此小型化,、輕量化,、穩(wěn)定性高的熱防護(hù)方案是目前急需解決的關(guān)鍵問題。

相變材料,，尤其是石蠟,，由于其高熔融潛熱和熱循環(huán)穩(wěn)定性以及無毒等熱物性，在熱存儲(chǔ)系統(tǒng)（TESs）系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)(TMSs)中得到了廣泛的應(yīng)用,。但是相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低,，與常見的金屬材料相比少2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。這就造成了當(dāng)使用純相變材料進(jìn)行溫控或者儲(chǔ)能時(shí),，加熱面處的溫度會(huì)使得其附近的相變材料迅速融化,，但是其較低的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)離加熱面處的相變材料融化較慢甚至仍保持固體狀態(tài)，相變材料內(nèi)部會(huì)存在較大的溫度梯度,，嚴(yán)重限制了PCM的性能發(fā)揮,，甚至可以造成設(shè)備失效或毀壞。因此如何提高相變材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)成為急需解決的關(guān)鍵問題,。

金屬泡沫材料已廣泛應(yīng)用于相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高,，在熱存儲(chǔ)系統(tǒng)(TESs)和熱管理系統(tǒng)(TMSs)中都有應(yīng)用。傳統(tǒng)的泡沫金屬結(jié)構(gòu)采用Kelvin單元來替代,，其幾何和宏觀參數(shù),，如孔隙率、孔徑大小和比表面積等對(duì)泡沫金屬-PCM復(fù)合材料性能的影響已被廣泛研究。

隨著增材制造技術(shù)的出現(xiàn),，任何復(fù)雜程度的結(jié)構(gòu)都可以輕松制造,，從而為TESs系統(tǒng)和TMSs系統(tǒng)中應(yīng)用三周期極小曲面結(jié)構(gòu)的使用打開了大門。三種典型的三周期極小曲面為：Gyroid,IWP和Primitive泡沫材料,，將它們應(yīng)用于翅片金屬泡沫-PCM(FMF-PCM)系統(tǒng)中能夠極大提升傳熱性能,。因此，基于TPMS的金屬泡沫材料在TESs系統(tǒng)和TMSs中具有很大的應(yīng)用前景,。

金屬泡沫結(jié)構(gòu)

泡沫金屬結(jié)構(gòu)形式一般采用Kelvin單元來代替,，理想的金屬泡沫單元使用十四面體單元。Kelvin單元是一種規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu),，它由6個(gè)正方形和8個(gè)六邊形面組成,，它以最小的表面將空間分割成等體積單元。對(duì)泡沫金屬的宏觀參數(shù)和幾何參數(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,，如孔隙率,、孔隙大小、孔隙度梯度,、比表面積密度,，以及支柱形狀、各向異性等形態(tài)學(xué)特征,。在已有的研究中,，泡沫金屬的基本組成部分(即Kelvin單元本身)始終保持不變。一個(gè)明顯的原因是,，通過傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜架構(gòu)的實(shí)際可行性不高,，無法制造高度復(fù)雜的幾何圖形。

FMF-PCM結(jié)構(gòu)及增材制造應(yīng)用

除了PCM浸漬金屬泡沫中的方法可以增強(qiáng)PCM的傳熱特性外,，一種被稱為“翅片金屬泡沫”(FMF)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)也可以增強(qiáng)導(dǎo)熱性能,，因?yàn)榕c相對(duì)簡單的金屬泡沫PCM(MF-PCM)和翅片PCM(F-PCM)相比，F(xiàn)MF在TESs系統(tǒng)和TMSs中具有更好的傳熱性能,。在MF-PCM結(jié)構(gòu)中,，PCM浸漬在金屬泡沫中，沒有任何翅片,。在F-PCM中，不使用金屬泡沫,，PCM填充在翅片之間,。FMF-PCM的主要原理是將前兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，將金屬泡沫夾在翅片之間,，然后將PCM浸漬在泡沫金屬材料中,。

等溫條件下通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)FMF-PCM、FPCM和MF-PCM三種構(gòu)型。在整個(gè)熔化過程中,，與F-PCM配置相比,，F(xiàn)MF-PCM配置的平均傳熱系數(shù)(HTC)增加了24%，與MF-PCM配置相比增加了約7倍,。

近年來隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)步,，使任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印成為可能。在金屬3D打印領(lǐng)域,，粉末層熔化技術(shù),，如激光燒結(jié)、激光熔化和電子束熔化是最常用的技術(shù),。3D打印不僅可以制造復(fù)雜的幾何圖形,，還可以減小材料浪費(fèi)。此外,，所生產(chǎn)的零件的尺寸涵蓋了從打印大型物體到打印納米尺度物體的整個(gè)尺度范圍,。因此，由于制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變,，制造復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物理障礙已經(jīng)完全消除,，允許完全自由地設(shè)計(jì)和建造任何結(jié)構(gòu)。因此,，之前無法實(shí)現(xiàn)加工的金屬泡沫結(jié)構(gòu)重新受到重視,，如三周期極小曲面。

對(duì)于FMF-PCM,使用時(shí)有一個(gè)很難處理的問題,，即需要以消除翅片和FMF金屬泡沫之間的接觸熱阻,。增材制造可以完美的解決該問題，因?yàn)檎麄�(gè)FMF模塊可以作為一個(gè)單一的部分打印出來,。

增材制造—TPMS胞元結(jié)構(gòu)

由于增材制造技術(shù)的出現(xiàn),，周期性胞元結(jié)構(gòu)，特別是三周期極小曲面(TPMS)引起了廣泛的研究興趣,。TPMS本質(zhì)上是所有點(diǎn)的平均曲率為零的最小曲面,。TPMS結(jié)構(gòu)可以用數(shù)學(xué)方法建模，并可以在三個(gè)方向上重復(fù)建模,。這種模式允許TPMS胞元在三個(gè)相互垂直的方向上生長,，形成TPMS胞元的3D陣列。這里值得一提的是,，術(shù)語“最小表面”并不是指給定單元尺寸的結(jié)構(gòu)的總表面積最小,，事實(shí)上，TPMS結(jié)構(gòu)的表面積顯著高于Kelvin單元,。這一更高的表面積有助于提高TESs系統(tǒng)的PCM充放熱性能,。

一些經(jīng)典的TPMS結(jié)構(gòu)是由Schwarz(Schwarz Primitive和Schwarz Diamond)最先提出的,。后來，Schoen提出了其他幾種TPMS結(jié)構(gòu),，最著名的是Schoen Gyroid和Schoen I-graph and wrapped package-graph (IWP),。與傳統(tǒng)的基于支撐結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，TPMS結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能,。TPMS結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)于所測試的所有結(jié)構(gòu),。TPMS已被用于支架和組織工程應(yīng)用。

TPMS胞元結(jié)構(gòu)對(duì),，相變材料導(dǎo)熱性能增強(qiáng)作用

評(píng)價(jià)導(dǎo)熱性能的一個(gè)指標(biāo)是,，相同加熱時(shí)間內(nèi)，PCM液相分?jǐn)?shù)大小,。液相分?jǐn)?shù)取值范圍為0~1,0為PCM完全固態(tài),，1為PCM完全液態(tài)/熔融態(tài)。對(duì)于所有的金屬泡沫結(jié)構(gòu),，熔化過程都得到了增強(qiáng),。熱量從模型底部迅速傳遞，導(dǎo)致在PCM—金屬泡沫結(jié)構(gòu)界面熔化,。此外,，翅片也有助于熔化過程，從翅片-PCM界面形成的熔融PCM層可以看出,。

評(píng)價(jià)導(dǎo)熱性能的一個(gè)指標(biāo)是平均HTC,，對(duì)比熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流兩種情況下四類泡沫材料的平均HTC值。在純熱傳導(dǎo)情況下,，TPMS金屬泡沫結(jié)構(gòu)的性能明顯更好,，IWP的平均HTC比Kelvin單元高出50%，其次是Gyroid(46%)和Primitive(32%),。在自然對(duì)流條件下,，TPMS金屬泡沫結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)出優(yōu)于Kelvin單元的傳熱性能。

由增材制造方法生成的TPMS金屬泡沫結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)金屬泡沫結(jié)構(gòu)相比,，針對(duì)FMF-PCM系統(tǒng),，以PCM熔化時(shí)間和整個(gè)熔化過程中平均HTC的值為判斷標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)增材制造方法生成TPMS金屬泡沫結(jié)構(gòu)在熱傳導(dǎo)(無浮力)以及基于自然對(duì)流的模擬方面優(yōu)于傳統(tǒng)金屬泡沫結(jié)構(gòu),。

對(duì)比三種TPMS胞元結(jié)構(gòu)以及Kelvin單元,。在純導(dǎo)熱情況下，IWP金屬泡沫結(jié)構(gòu)的性能最好,。在自然對(duì)流條件下,，Primitive金屬泡沫結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最好。在純傳導(dǎo)條件下,，TPMS金屬泡沫結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于自然對(duì)流條件下的Kelvin單元,。對(duì)于整體FMF-PCM單元，所有TPMS金屬泡沫結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)效果仍優(yōu)于Kelvin單元,。

增材制造生成的TPMS金屬結(jié)構(gòu)可以很好的改善PCM材料導(dǎo)熱系數(shù)低的不足,，在航空航天領(lǐng)域，TESs系統(tǒng)和TMSs系統(tǒng)可能具有非常好的應(yīng)用前景的,。
文章中圖片來源：《Heat transfer performance of a finned metal foam-phase change material (FMF-PCM) system incorporating triply periodic minimal surfaces (TPMS)》

作者
李權(quán)樹,，工學(xué)碩士，安世亞太DfAM賦能業(yè)務(wù)部流體仿真工程師,。擅長一維流體系統(tǒng),、三維熱流體仿真。目前從事?lián)Q熱器熱流體仿真設(shè)計(jì)工作,。