多孔铜纤维骨架复合相变材料制备及温控性能研究_江浩.pdf

基金项目：东华理工大学江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心开放基金资助项目（编号：JXNE2020-04）；江西省教育厅科技项目（编号：GJJ200739）收稿日期：20220928多孔铜纤维骨架复合相变材料制备及温控性能研究*江浩1,2，黄书烽1,2，庄文玮1（1.东华理工大学 机械与电子工程学院，南昌330013；2.东华理工大学 江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心，南昌330013）摘要：相变材料储热密度大的优点在电子器件热管理系统上具备很大的应用潜力，但导热率低这一属性极大削弱了其在相变过程中的传热效率，影响了在热管理领域的应用范围。针对以上问题，以石蜡作为相变材料，通过多齿刀具加工出连续铜纤维，制备出具备高导热率的铜纤维多孔纤维骨架，再用水浴法将其嵌入石蜡相变材料内部，制备出多孔铜纤维骨架复合相变材料（MF-PCM）。通过实验探究了高度为10 mm、15 mm、20 mm复合相变材料的温控性能。实验结果显示高度为10 mm、15 mm、20 mmMF-PCM的温控时间分别为505 s、615 s、724 s，根据不同应用场景选择MF-PCM高度。此外，临界温度为60 时，在低输入功率情况下，20 mm高度的MF-PCM温控效果更显著；高输入功率时，不同高度MF-PCM温控效果相差不大，优先选择高度更低的MF-PCM以节约成本。在临界温度为90 时，高度为20 mm的MF-PCM表现出优异的温控性能。关键词：多孔铜纤维骨架；复合相变材料；温控性能；临界温度中图分类号：TB33文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02008604Study on Temperature Control Properties of Different Height Porous FiberMatrix CompositesJiang Hao1,2，Huang Shufeng1,2，Zhuang Wenwei1（1.School of Mechanical and Electronic Engineering,East China University of Technology,Nanchang 330013,China;2.Jiangxi ProvinceEngineering Research Center of New Energy Technology and Equipment,East China University of Technology,Nanchang 330013,China）Abstract:Phase-change materials have great potential in thermal management systems of electronic devices due to high heat storage density.However,the low thermal conductivity greatly weakens their heat transfer efficiency in the process of phase transition,which affects theapplication in the field of thermal management.In order to solve the above problems,paraffin was used as phase change material,continuouscopper fiber was processed by multi-tooth cutting tools to prepare copper fiber porous fiber skeleton with high thermal conductivity,and thenthe porous copper fiber skeleton composite phase change material(MF-PCM)was prepared by embedding it into the paraffin phase changematerial by water bath method.In different practical application scenarios,the height of the composite phase change material is different,so thetemperature control performance of the composite phase change material with the porosity of 75%at the height of 10 mm,15 mm and 20 mm isexplored.Through the visual temperature measuring platform,the temperature control performance is studied.The experimental results showthat the temperature control time of 10 mm,15 mm and 20 mm MF-PCM is 505 s,615 s and 724 s,respectively.The height of MF-PCM can beselected according to different application scenarios.In addition,when the critical temperature is 60,the temperature control effect of 20mm height MF-PCM is more significant in the case of low input power.When the input power is high,the temperature control effect of MF-PCM at different heights is not different,so the MF-PCM with lower height is preferred to save cost.When the critical temperature is 90,theheight of 20 mm MF-PCM shows excellent temperature control performance.Key words:porous copper fiber framework;phase change material;temperature control performance;critical temperature2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.020江浩，黄书烽，庄文玮.多孔铜纤维骨架复合相变材料制备及温控性能研究 J.机电工程技术，2023，52（02）：86-89.0引言相变材料是一种具有巨大潜热能量的材料，且物理化学性质在一般情况下比较稳定变材料可分为有机和无机变材料两大类：无机变材料包括结晶水合盐、熔盐和金属，往往熔点高、过冷度大、有腐蚀性且容易发生相分离1；有机MF-PCM以脂肪烃、脂肪醇羧酸和聚乙二醇（PEG）为代表，具有无毒、稳定、廉价以及过冷度小、储热密度2。没有外界的干扰下，在温度达到一定数值时，MF-PCM会通过相变过程将自己的固相状态变成液相状态，即为熔化过程；反之液相变为固相称之为凝固过程。在相变过程中相变材料与外部空间进行大量的热量交换，熔化吸热/凝固放热的能量统称为相变潜热。相变温度连续可调等优点而被广泛研究并实现工业化应用3。86为了提升MF-PCM热沉的传热速率，学者们开始研究具有大比表面积的多孔泡沫材料作为基底骨架，再将液态MF-PCM浸入其中，因此可以大幅度增加MF-PCM与多孔高导率材质的接触面积，使得MF-PCM导热率提高。Z G Qu等4以泡沫金属铜作为基底骨架，设计了一种电子无源热管理系统。采用了两种基底散热方式：（1）饱和纯石蜡的空心基底；（2）铜基底。实验结果表明采用铜金属泡沫可以降低表面温度和达到石蜡熔点的时间。随着泡沫孔隙率或泡沫孔密度的降低，器件的表面温度也会降低。在石蜡熔化过程中泡沫MF-PCM复合材料的温度曲线呈线性增加，说明系统中的热传导增强已经超过了石蜡自然对流的抑制水平，从而减少热应力造成的器件损伤。D Zhou和C Y Zhao5将相变材料嵌入开孔泡沫金属和膨胀石墨中，研究其传热特性。实验结果表明，添加相变材料进开孔泡沫金属或膨胀石墨等多孔材料后，可以大幅度提升其传热速率。而且对于金属泡沫，在它们熔化过程中总传热效率成倍增加。Sung-Tac Hong和Darrcll R Hcrling6研究了开孔泡沫铝的比表面积对泡沫铝-相变复合材料的有效导热系数的影响。实验结果表明，随着比表面积的增加，泡沫铝与PCM的接触面积也逐渐增加，有效导热系数随着温度的升高而增大。但对于不同的泡沫比表面积，有效导热率也不同。本文研究了不同高度MC-PCM的温控性能影响。通过多齿刀具车削铜棒加工出的铜纤维填充进不同类型的模具，进行固相烧结，制备出多孔铜纤维骨架。然后通过水浴法，向多孔纤维骨架中填充石蜡制备出复合相变材料。设计了一种应用于大功率LED灯的复合相变材料热沉，再通过一个配套的可视化温度测试系统，对LED灯进行恒功率输入，探究复合相变材料热沉的温控性能。1实验内容1.1复合相变材料的制备（1）复合相变材料的制备过程如图1所示。通过多齿刀具车削加工60 mm的紫铜棒获得连续的铜纤维7，如图 2所示。进给速率 0.15 mm/r，车床转速25 r/min，切削深度0.1 mm，切削参数如表1所示。多齿刀具加工出的金属纤维表面粗糙，截面不均匀，能够在纤维表面形成微/纳尺度的茸状结构，这些微纳结构有效地增加了纤维的比表面积，减小表面能，有利于在金属烧结的时候形成烧结点，方便金属纤维的黏结，提高金属纤维之间的换热系数8。（2）将加工出的铜纤维均匀地填充进设计好的模具中，该模具由上模板，下模板和中间板构成，材料为45号钢。下模板唯一平板，上模板表面设计一凸台，该凸台在铜纤维填充过程提供压力，有利于骨架成型。中间板厚度为 20 mm，中间的空腔尺寸为 30 mm30 mm20 mm。填充铜纤维前，先根据式（1）计算所需填充的铜纤维质量，如表 2 所示。通过加压装置对铜纤维施加压力后再用螺栓预紧力固定压板，就可以得到所需要30 mm30 mm20 mm的多孔铜纤维压坯如图3所示，再将模具进行固相烧结。多孔铜纤维骨架孔隙率由质量体积法9计算得到。计算公式如下：图1复合相变材料制备工艺流程（a）多齿刀具车削铜棒（b）铜纤维图2加工情况表1刀具切削参数铜纤维直径df/m150紫铜棒直径d/mm60车床转速n/(rmin-1)25进给量f/(mmr-1)0.15背吃刀量ap/mm0.1多齿刀具类型细齿参数高度孔隙率质量（a）10 mm75%20.003 g样品编号（b）15 mm75%30.004 g（c）20 mm75%40.005 g（a）10 mm（b）15 mm（c）20 mm表2样品参数图3不同高度多孔铜纤维骨架江浩，黄书烽，庄文玮：多孔铜纤维骨架复合相变材料制备及温控性能研究 87=（1-mcupcuV）100%（1）式中：mcu为铜纤维骨架质量；cu为紫铜密度，取8.89 g/cm3；V为铜纤维骨架体积；为孔隙率。（3）将填充完铜纤维的模具投入真空烧结炉中，为了保证铜纤维烧结颈既能有足