增材制造在增強相變材料導熱性能中的應用

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


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備熱防護問題日益凸顯。由于飛行器自身限制，地面環(huán)境中的常規(guī)散熱方式如自然對流、強制風冷/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、近真空或高速氣動的高溫環(huán)境中，飛行器嚴苛的體積重量要求也限制了其熱控設備的選擇空間，此外此類熱載環(huán)境多是瞬時高峰值熱載荷或者循環(huán)波動熱載荷等不規(guī)律熱載。目前為了安全起見常采用增大熱防護設備熱容、表面燒蝕等方法進行熱防護，顯而易見的是這樣會大大增加熱防護設備重量，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，在熱存儲系統(tǒng)（TESs）系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)(TMSs)中得到了廣泛的應用。但是相變材料的導熱系數(shù)很低，與常見的金屬材料相比少2-3個數(shù)量級。這就造成了當使用純相變材料進行溫控或者儲能時，加熱面處的溫度會使得其附近的相變材料迅速融化，但是其較低的導熱系數(shù)會導致遠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)部會存在較大的溫度梯度，嚴重限制了PCM的性能發(fā)揮，甚至可以造成設備失效或毀壞。因此如何提高相變材料的等效導熱系數(shù)成為急需解決的關(guān)鍵問題。

金屬泡沫材料已廣泛應用于相變材料導熱系數(shù)的提高，在熱存儲系統(tǒng)(TESs)和熱管理系統(tǒng)(TMSs)中都有應用。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泡沫金屬-PCM復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個正方形和8個六邊形面組成，它以最小的表面將空間分割成等體積單元。對泡沫金屬的宏觀參數(shù)和幾何參數(shù)已經(jīng)進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。一個明顯的原因是，通過傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)復雜架構(gòu)的實際可行性不高，無法制造高度復雜的幾何圖形。

FMF-PCM結(jié)構(gòu)及增材制造應用

除了PCM浸漬金屬泡沫中的方法可以增強PCM的傳熱特性外，一種被稱為“翅片金屬泡沫”(FMF)的改進結(jié)構(gòu)也可以增強導熱性能，因為與相對簡單的金屬泡沫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)值計算發(fā)現(xiàn)FMF-PCM、FPCM和MF-PCM三種構(gòu)型。在整個熔化過程中，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)的進步，使任何復雜結(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雜的幾何圖形，還可以減小材料浪費。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尺度范圍。因此，由于制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變，制造復雜拓撲結(jié)構(gòu)的物理障礙已經(jīng)完全消除，允許完全自由地設計和建造任何結(jié)構(gòu)。因此，之前無法實現(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。

對于FMF-PCM,使用時有一個很難處理的問題，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，因為整個FMF模塊可以作為一個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)上是所有點的平均曲率為零的最小曲面。TPMS結(jié)構(gòu)可以用數(shù)學方法建模，并可以在三個方向上重復建模。這種模式允許TPMS胞元在三個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)的拓撲結(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用。

TPMS胞元結(jié)構(gòu)對，相變材料導熱性能增強作用

評價導熱性能的一個指標是，相同加熱時間內(nèi)，PCM液相分數(shù)大小。液相分數(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)。對于所有的金屬泡沫結(jié)構(gòu)，熔化過程都得到了增強。熱量從模型底部迅速傳遞，導致在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。

評價導熱性能的一個指標是平均HTC，對比熱傳導和自然對流兩種情況下四類泡沫材料的平均HTC值。在純熱傳導情況下，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FMF-PCM系統(tǒng)，以PCM熔化時間和整個熔化過程中平均HTC的值為判斷標準，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(無浮力)以及基于自然對流的模擬方面優(yōu)于傳統(tǒng)金屬泡沫結(jié)構(gòu)。

對比三種TPMS胞元結(jié)構(gòu)以及Kelvin單元。在純導熱情況下，IWP金屬泡沫結(jié)構(gòu)的性能最好。在自然對流條件下，Primitive金屬泡沫結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最好。在純傳導條件下，TPMS金屬泡沫結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于自然對流條件下的Kelvin單元。對于整體FMF-PCM單元，所有TPMS金屬泡沫結(jié)構(gòu)的增強效果仍優(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，工學碩士，安世亞太DfAM賦能業(yè)務部流體仿真工程師。擅長一維流體系統(tǒng)、三維熱流體仿真。目前從事?lián)Q熱器熱流體仿真設計工作。