【摘 要】
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相变材料因其高潜热、低密度等优点被广泛应用于建筑、电子设备、航空航天及食品工业等领域中。但较低的导热系数严重限制了其性能的发挥,需要通过嵌入导热增强体来有效提高相变材料的导热系数。虽然传统增强导热的方法如散布高导热纳米颗粒、插入金属翅片、微胶囊封装等对相变材料的导热性能有一定提升效果,但难以满足航空航天领域在质量及力学性能方面的严苛要求。因此本文基于选择性激光熔化（SLM）工艺,提出采用多孔点阵来
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相变材料因其高潜热、低密度等优点被广泛应用于建筑、电子设备、航空航天及食品工业等领域中。但较低的导热系数严重限制了其性能的发挥,需要通过嵌入导热增强体来有效提高相变材料的导热系数。虽然传统增强导热的方法如散布高导热纳米颗粒、插入金属翅片、微胶囊封装等对相变材料的导热性能有一定提升效果,但难以满足航空航天领域在质量及力学性能方面的严苛要求。因此本文基于选择性激光熔化（SLM）工艺,提出采用多孔点阵来增强相变材料的传热能力,同时赋予复合相变材料优异的力学性能,实现温控/承载一体化。本文首先采用三周期极小曲面法设计了周期性多孔结构,将其作为相变材料石蜡的导热增强体,该结构不仅具有高比表面积、高孔隙率及完全连续可控的内部骨架,还具有轻质、高强度等优点。其次,选取具有高导热率的Al Si10Mg粉末为原材料,利用SLM成形出周期性多孔铝实体样件,再以浇注法制备了周期性多孔铝/石蜡复合相变材料。最后通过实验研究了该复合相变材料的传热性能、力学性能及其影响因素。可视化相变蓄热实验研究结果表明周期性多孔铝结构虽对石蜡的自然对流能力有一定的抑制作用,但对热传导的强化作用更大,因此能显著改善石蜡的传热性能,加快石蜡融化速率,降低融化过程中的温度梯度,同时还能获得较高的储热速率。周期性多孔铝的体积分数越大,复合相变材料的传热性能越好。当体积分数从10%增加到30%时,石蜡融化时间从70min缩短为50min,最大温度梯度从14.3℃降至7.1℃,储热速率从1.27J/s提升至1.61J/s,但由于石蜡含量的减少,储热密度也会从223.9J/g降至160.53J/g。周期性多孔铝的孔径变化会从自然对流和热传导两方面来影响石蜡的传热性能,当使用体积分数为20%的G结构作为石蜡导热增强体时,孔径越大,复合相变材料的传热性能越好。相比于杆状G结构和W结构,壳状GS结构因其较大的换热面积而对石蜡传热性能的提升最显著。准静态压缩试验结果表明周期性多孔铝/石蜡复合相变材料的力学性能主要由其内部的周期性多孔铝骨架决定,因而可以通过改变周期性多孔铝结构的体积分数、单元类型对复合相变材料的力学性能进行调控。周期性多孔铝结构力学性能的影响因素中体积分数的相关性最大,几何形状次之,单元尺寸最小。当体积分数从10%增大到30%时,周期性多孔铝/石蜡复合相变材料的弹性模量增大了4.77倍,屈服强度增大了4.63倍,抗压强度增大了5.26倍。G、W、GS三种结构中GS结构的复合相变材料的力学性能最好,弹性模量为606.87MPa,屈服应力为15.04MPa,抗压强度为17.15MPa,W结构的复合相变材料的力学性能最差,弹性模量为363.65MPa,屈服应力为7.03MPa,抗压强度为8.39MPa。单元尺寸的改变对周期性多孔铝/石蜡复合相变材料的力学性能影响较小。综上,本课题关于周期性多孔铝/石蜡复合相变材料温控与力学性能的研究,为拓宽增材制造轻质多孔结构在温控系统中的功能化应用,提高严苛温度环境下电子器件的稳定性和寿命提供了理论支撑和实验依据。
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