多孔銅纖維骨架復(fù)合相變材料制備及溫控性能研究*

江 浩，黃書烽※，莊文瑋

（1.東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌 330013；2.東華理工大學(xué)江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，南昌 330013）

0 引言

相變材料是一種具有巨大潛熱能量的材料，且物理化學(xué)性質(zhì)在一般情況下比較穩(wěn)定變材料可分為有機(jī)和無機(jī)變材料兩大類：無機(jī)變材料包括結(jié)晶水合鹽、熔鹽和金屬，往往熔點(diǎn)高、過冷度大、有腐蝕性且容易發(fā)生相分離[1]；有機(jī)MF-PCM 以脂肪烴、脂肪醇／羧酸和聚乙二醇（PEG）為代表，具有無毒、穩(wěn)定、廉價(jià)以及過冷度小、儲熱密度[2]。沒有外界的干擾下，在溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，MF-PCM 會通過相變過程將自己的固相狀態(tài)變成液相狀態(tài)，即為熔化過程；反之液相變?yōu)楣滔喾Q之為凝固過程。在相變過程中相變材料與外部空間進(jìn)行大量的熱量交換，熔化吸熱/凝固放熱的能量統(tǒng)稱為相變潛熱。相變溫度連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用[3]。

為了提升MF-PCM 熱沉的傳熱速率，學(xué)者們開始研究具有大比表面積的多孔泡沫材料作為基底骨架，再將液態(tài)MF-PCM 浸入其中，因此可以大幅度增加MF-PCM與多孔高導(dǎo)率材質(zhì)的接觸面積，使得MF-PCM 導(dǎo)熱率提高。Z G Qu 等[4]以泡沫金屬銅作為基底骨架，設(shè)計(jì)了一種電子無源熱管理系統(tǒng)。采用了兩種基底散熱方式：（1）飽和純石蠟的空心基底；（2）銅基底。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用銅金屬泡沫可以降低表面溫度和達(dá)到石蠟熔點(diǎn)的時(shí)間。隨著泡沫孔隙率或泡沫孔密度的降低，器件的表面溫度也會降低。在石蠟熔化過程中泡沫MF-PCM 復(fù)合材料的溫度曲線呈線性增加，說明系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)增強(qiáng)已經(jīng)超過了石蠟自然對流的抑制水平，從而減少熱應(yīng)力造成的器件損傷。D Zhou 和C Y Zhao[5]將相變材料嵌入開孔泡沫金屬和膨脹石墨中，研究其傳熱特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加相變材料進(jìn)開孔泡沫金屬或膨脹石墨等多孔材料后，可以大幅度提升其傳熱速率。而且對于金屬泡沫，在它們?nèi)刍^程中總傳熱效率成倍增加。Sung-Tac Hong和Darrcll R Hcrling[6]研究了開孔泡沫鋁的比表面積對泡沫鋁-相變復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著比表面積的增加，泡沫鋁與PCM 的接觸面積也逐漸增加，有效導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大。但對于不同的泡沫比表面積，有效導(dǎo)熱率也不同。

本文研究了不同高度MC-PCM 的溫控性能影響。通過多齒刀具車削銅棒加工出的銅纖維填充進(jìn)不同類型的模具，進(jìn)行固相燒結(jié)，制備出多孔銅纖維骨架。然后通過水浴法，向多孔纖維骨架中填充石蠟制備出復(fù)合相變材料。設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于大功率LED 燈的復(fù)合相變材料熱沉，再通過一個配套的可視化溫度測試系統(tǒng)，對LED燈進(jìn)行恒功率輸入，探究復(fù)合相變材料熱沉的溫控性能。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 復(fù)合相變材料的制備

（1）復(fù)合相變材料的制備過程如圖1 所示。

圖1 復(fù)合相變材料制備工藝流程

通過多齒刀具車削加工φ60 mm 的紫銅棒獲得連續(xù)的銅纖維[7]，如圖2 所示。進(jìn)給速率0.15 mm/r，車床轉(zhuǎn)速25 r/min，切削深度0.1 mm，切削參數(shù)如表1所示。

圖2 加工情況

表1 刀具切削參數(shù)

多齒刀具加工出的金屬纖維表面粗糙，截面不均勻，能夠在纖維表面形成微/納尺度的茸狀結(jié)構(gòu)，這些微納結(jié)構(gòu)有效地增加了纖維的比表面積，減小表面能，有利于在金屬燒結(jié)的時(shí)候形成燒結(jié)點(diǎn)，方便金屬纖維的黏結(jié)，提高金屬纖維之間的換熱系數(shù)[8]。

（2）將加工出的銅纖維均勻地填充進(jìn)設(shè)計(jì)好的模具中，該模具由上模板，下模板和中間板構(gòu)成，材料為45號鋼。下模板唯一平板，上模板表面設(shè)計(jì)一凸臺，該凸臺在銅纖維填充過程提供壓力，有利于骨架成型。中間板厚度為20 mm，中間的空腔尺寸為30 mm×30 mm×20 mm。填充銅纖維前，先根據(jù)式（1）計(jì)算所需填充的銅纖維質(zhì)量，如表2 所示。通過加壓裝置對銅纖維施加壓力后再用螺栓預(yù)緊力固定壓板，就可以得到所需要30 mm×30 mm×20 mm 的多孔銅纖維壓坯如圖3 所示，再將模具進(jìn)行固相燒結(jié)。多孔銅纖維骨架孔隙率由質(zhì)量體積法[9]計(jì)算得到。計(jì)算公式如下：

表2 樣品參數(shù)

圖3 不同高度多孔銅纖維骨架

式中：mcu為銅纖維骨架質(zhì)量；ρcu為紫銅密度，取8.89 g/cm3；V為銅纖維骨架體積；ε為孔隙率。

（3）將填充完銅纖維的模具投入真空燒結(jié)爐中，為了保證銅纖維燒結(jié)頸既能有足夠的強(qiáng)度，又能夠保持纖維表面的微觀結(jié)構(gòu)，將燒結(jié)溫度設(shè)定為900 ℃，燒結(jié)時(shí)長控制為60 min，通過固相燒結(jié)法[10]，使得多孔銅纖維之間粘結(jié)的更加緊密，能提高金屬纖維的換熱系數(shù)，又有利于后續(xù)銅纖維與石蠟間的換熱效率[11]。

（4）燒結(jié)成型的銅纖維骨架放入定制的硅膠模具中，再稱取一定質(zhì)量的石蠟固體，放入定制的硅膠模具，放入恒溫水浴鍋中的燒杯里[12]，將恒溫水浴鍋溫度調(diào)至65 ℃。在恒溫水浴鍋中，加熱使得石蠟完全熔化，銅纖維骨架完全浸入在液態(tài)石蠟中。取出燒杯冷卻完成后，切去多余的石蠟，制備出銅纖維骨架復(fù)合相變材料，如圖4所示。

圖4 不同高度MC-PCM

1.2 相變材料溫控性能實(shí)驗(yàn)

溫控性能測試過程如圖5 所示，設(shè)計(jì)了復(fù)合相變熱沉，制作熱沉整體尺寸為34 mm ×34 mm ×28 mm，側(cè)面和底面厚度為2 mm，為了避免石蠟熔化后溢出腔體，在設(shè)計(jì)時(shí)，空腔的高度要比銅纖維骨架的高度高出6 mm。發(fā)熱源選取一顆50 W 的LED 燈，將LED 燈用導(dǎo)熱雙面膠固定在一塊30 mm×30 mm×1 mm的鋁基板上，為了減小接觸時(shí)的熱阻，通過導(dǎo)熱硅脂將鋁基板黏在熱沉底部。在熱沉底部，在熱沉的兩個相鄰的側(cè)面中心選取3 個測溫點(diǎn)，在銅纖維中心選取一個測溫點(diǎn)，熱沉底部選取一個測溫點(diǎn)。側(cè)面和底部通過熱電偶點(diǎn)溫膠將K 型熱電偶的測溫端粘在熱沉表面進(jìn)行測溫。樣品中心的溫度可在相變材料中間鉆一個深度為10 mm、直徑為2 mm 的盲孔，方便鎧裝熱電偶伸入，測溫通過高度尺和鎧裝熱電偶進(jìn)行。通過一臺直流穩(wěn)壓電源對LED 燈提供輸入功率。在實(shí)驗(yàn)樣品周圍通過有機(jī)玻璃板搭建一個隔熱的空間，在放置熱沉的有機(jī)玻璃板中心加工一個孔，在邊緣留有余量以支撐熱沉的同時(shí)能夠固定熱沉防止其移動。在有機(jī)玻璃板側(cè)邊加工小孔以便熱電偶及電源線伸出。然后通過多路溫度檢測儀將數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)電腦形成圖表。

圖5 可視化測溫平臺

為了研究熱沉的瞬態(tài)溫控性能，需對所測試的熱沉輸入4 種不同的輸入功率，分別為11.7 W、14.7 W、17.7 W、21.3 W。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源以輸出穩(wěn)定的電流；（2）在開啟直流穩(wěn)壓電源的同時(shí)，打開計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件，此時(shí)LED 燈只需發(fā)亮，對相變熱沉持續(xù)加熱；（3）當(dāng)熱沉底部的溫度值達(dá)到100 ℃時(shí)關(guān)閉直流穩(wěn)壓電源結(jié)束加熱過程；（4）等待熱沉自然冷卻，在熱沉底部溫度到達(dá)室溫時(shí)，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集軟件。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取輸入功率為17.7 W 時(shí)，不同高度的MC-PCM 作為對象，底部熱沉中心溫度為T1，熱沉側(cè)面溫度為T2，相變材料中心溫度為T3，研究它們的瞬態(tài)溫控性能。在加熱階段根據(jù)圖像（圖6）斜率將其分為固態(tài)區(qū)、熔化區(qū)和液態(tài)區(qū)。其中固態(tài)區(qū)和熔化區(qū)為溫控區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)復(fù)合相變材料具有溫控效果。以高度為20 mm 相變材料為例，在0～369 s 為固態(tài)區(qū)，在369～724 s 為熔化區(qū)，在724～1 192 s 為液態(tài)區(qū)。以此高度為20 mm 的相變材料的溫控時(shí)間為724 s，高度為10 mm 和15 mm 的溫控時(shí)間分別為505 s 和615 s。當(dāng)相變材料孔隙率相同的情況下，多孔纖維的滲透率[13]相同，高度越高，石蠟的質(zhì)量也就越大，此時(shí)的MC-PCM 具有更大的相變潛熱[14-15]，也就使得熱沉就有更長的溫控時(shí)間。

圖6 不同高度瞬態(tài)溫控性能

在打開電源開始功率輸入時(shí)，T1溫度瞬間升高，當(dāng)T1到達(dá)97 ℃時(shí)，高度為10 mm、15 mm、20 mm的相變材料T3分別為82.2 ℃、71 ℃、79.1 ℃，T2分別為82.5 ℃、70.2 ℃、79.2 ℃，所花的時(shí)間分別為690 s、795 s、1 150 s。這是由于銅纖維較高的熱導(dǎo)率，使得熱源的溫度迅速傳導(dǎo)至MF-PCM，導(dǎo)致20 mm 高度MF-PCM 的側(cè)面和中心溫度更高。對于高度為15 mm 的MF-PCM 相比高度為10 mm 的MF-PCM 側(cè)面和中心溫度更低，這是因?yàn)楦叨雀偷腗F-PCM 的熱量傳導(dǎo)距離更近，所以在相同的時(shí)間內(nèi)有更多的熱量傳至MF-PCM 中，又由于較少質(zhì)量的石蠟導(dǎo)致MF-PCM 相變潛熱作用更弱，整個系統(tǒng)在較短時(shí)間T1就到達(dá)97 ℃。

如圖7 所示，由于熱傳導(dǎo)和熱對流對熱沉的瞬態(tài)溫控性能影響復(fù)雜，以60 ℃作為臨界溫度對不同高度MF-PCM 的性能進(jìn)行評估。在功率為17.7 W 時(shí)高度為10 mm、15 mm、20 mm 的相變材料分別在505 s、670 s、753 s 時(shí)溫度上升到臨界溫度60 ℃。在600 s、785 s、1 030 s 到達(dá)臨界溫度90 ℃。對于不同高度的MF-PCM，其溫控時(shí)間都是隨著輸入功率的增加而減小。在臨界溫度為60 ℃時(shí)不同高度的MF-PCM 溫控時(shí)間相差不大，但是在臨界溫度為90 ℃時(shí)，高度為20 mm 的MF-PCM 溫控時(shí)間明顯相較10 mm、15 mm 的MF-PCM 更長。因此可根據(jù)LED 光源工作時(shí)所需的臨界溫度配備不同高度的MF-PCM。在臨界溫度為60 ℃時(shí)，選取高度為15 mm 的MF-PCM 能夠進(jìn)行溫控的同時(shí)，還能節(jié)省原材料，減小成本消耗。在臨界溫度為90 ℃時(shí)，則選取高度為20 mm的MF-PCM進(jìn)行控溫。

圖7 不同臨界溫度對比

3 結(jié)束語

（1）在單個熱脈沖作用下，MF-PCM 熱沉的溫控區(qū)域可分為固態(tài)區(qū)、熔化區(qū)。由于潛熱儲存在熔化區(qū)取代了顯熱儲存，MF-PCM 熱沉的溫度上升速度大幅度減緩。MF-PCM 熱沉到達(dá)液態(tài)區(qū)后，喪失了相變溫控的功能，10 mm、15 mm、20 mm 高度MF-PCM 的溫控時(shí)間分別為505 s、615 s、724 s，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)LED 燈的工作周期，為其選擇合適高度的MF-PCM熱沉。

（2）當(dāng)LED 工作時(shí)所要求的臨界溫度為60 ℃時(shí)，在低輸入功率的條件下，選擇20 mm 高度的MF-PCM 熱沉，在高輸入功率時(shí)，MF-PCM 的高度對LED 的溫控效果影響較小，此時(shí)可優(yōu)先選擇耗材更少，成本更低的15 mm 高度的MF-PCM 熱沉。當(dāng)LED 工作時(shí)所要求的臨界溫度為90 ℃時(shí)，選擇溫控時(shí)間更長的高度為20 mm 的MF-PCM熱沉。