多孔銅纖維骨架復合相變材料制備及溫控性能研究*

江 浩，黃書烽※，莊文瑋

（1.東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330013；2.東華理工大學江西省新能源工藝及裝備工程技術研究中心，南昌 330013）

0 引言

相變材料是一種具有巨大潛熱能量的材料，且物理化學性質在一般情況下比較穩定變材料可分為有機和無機變材料兩大類：無機變材料包括結晶水合鹽、熔鹽和金屬，往往熔點高、過冷度大、有腐蝕性且容易發生相分離[1]；有機MF-PCM 以脂肪烴、脂肪醇／羧酸和聚乙二醇（PEG）為代表，具有無毒、穩定、廉價以及過冷度小、儲熱密度[2]。沒有外界的干擾下，在溫度達到一定數值時，MF-PCM 會通過相變過程將自己的固相狀態變成液相狀態，即為熔化過程；反之液相變為固相稱之為凝固過程。在相變過程中相變材料與外部空間進行大量的熱量交換，熔化吸熱/凝固放熱的能量統稱為相變潛熱。相變溫度連續可調等優點而被廣泛研究并實現工業化應用[3]。

為了提升MF-PCM 熱沉的傳熱速率，學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MF-PCM 浸入其中，因此可以大幅度增加MF-PCM與多孔高導率材質的接觸面積，使得MF-PCM 導熱率提高。Z G Qu 等[4]以泡沫金屬銅作為基底骨架，設計了一種電子無源熱管理系統。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。實驗結果表明采用銅金屬泡沫可以降低表面溫度和達到石蠟熔點的時間。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 復合材料的溫度曲線呈線性增加，說明系統中的熱傳導增強已經超過了石蠟自然對流的抑制水平，從而減少熱應力造成的器件損傷。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。實驗結果表明，添加相變材料進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，在它們熔化過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-相變復合材料的有效導熱系數的影響。實驗結果表明，隨著比表面積的增加，泡沫鋁與PCM 的接觸面積也逐漸增加，有效導熱系數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不同類型的模具，進行固相燒結，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合相變材料。設計了一種應用于大功率LED 燈的復合相變材料熱沉，再通過一個配套的可視化溫度測試系統，對LED燈進行恒功率輸入，探究復合相變材料熱沉的溫控性能。

1 實驗內容

1.1 復合相變材料的制備

（1）復合相變材料的制備過程如圖1 所示。

圖1 復合相變材料制備工藝流程

通過多齒刀具車削加工φ60 mm 的紫銅棒獲得連續的銅纖維[7]，如圖2 所示。進給速率0.15 mm/r，車床轉速25 r/min，切削深度0.1 mm，切削參數如表1所示。

圖2 加工情況

表1 刀具切削參數

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/納尺度的茸狀結構，這些微納結構有效地增加了纖維的比表面積，減小表面能，有利于在金屬燒結的時候形成燒結點，方便金屬纖維的黏結，提高金屬纖維之間的換熱系數[8]。

（2）將加工出的銅纖維均勻地填充進設計好的模具中，該模具由上模板，下模板和中間板構成，材料為45號鋼。下模板唯一平板，上模板表面設計一凸臺，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，先根據式（1）計算所需填充的銅纖維質量，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，再將模具進行固相燒結。多孔銅纖維骨架孔隙率由質量體積法[9]計算得到。計算公式如下：

表2 樣品參數

圖3 不同高度多孔銅纖維骨架

式中：mcu為銅纖維骨架質量；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爐中，為了保證銅纖維燒結頸既能有足夠的強度，又能夠保持纖維表面的微觀結構，將燒結溫度設定為900 ℃，燒結時長控制為60 min，通過固相燒結法[10]，使得多孔銅纖維之間粘結的更加緊密，能提高金屬纖維的換熱系數，又有利于后續銅纖維與石蠟間的換熱效率[11]。

（4）燒結成型的銅纖維骨架放入定制的硅膠模具中，再稱取一定質量的石蠟固體，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驗

溫控性能測試過程如圖5 所示，設計了復合相變熱沉，制作熱沉整體尺寸為34 mm ×34 mm ×28 mm，側面和底面厚度為2 mm，為了避免石蠟熔化后溢出腔體，在設計時，空腔的高度要比銅纖維骨架的高度高出6 mm。發熱源選取一顆50 W 的LED 燈，將LED 燈用導熱雙面膠固定在一塊30 mm×30 mm×1 mm的鋁基板上，為了減小接觸時的熱阻，通過導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面中心選取3 個測溫點，在銅纖維中心選取一個測溫點，熱沉底部選取一個測溫點。側面和底部通過熱電偶點溫膠將K 型熱電偶的測溫端粘在熱沉表面進行測溫。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行。通過一臺直流穩壓電源對LED 燈提供輸入功率。在實驗樣品周圍通過有機玻璃板搭建一個隔熱的空間，在放置熱沉的有機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能夠固定熱沉防止其移動。在有機玻璃板側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據導入進電腦形成圖表。

圖5 可視化測溫平臺

為了研究熱沉的瞬態溫控性能，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。具體實驗步驟如下：（1）調節直流穩壓電源以輸出穩定的電流；（2）在開啟直流穩壓電源的同時，打開計算機上的數據采集軟件，此時LED 燈只需發亮，對相變熱沉持續加熱；（3）當熱沉底部的溫度值達到100 ℃時關閉直流穩壓電源結束加熱過程；（4）等待熱沉自然冷卻，在熱沉底部溫度到達室溫時，關閉數據采集軟件。

2 實驗結果與分析

選取輸入功率為17.7 W 時，不同高度的MC-PCM 作為對象，底部熱沉中心溫度為T1，熱沉側面溫度為T2，相變材料中心溫度為T3，研究它們的瞬態溫控性能。在加熱階段根據圖像（圖6）斜率將其分為固態區、熔化區和液態區。其中固態區和熔化區為溫控區域。在這個區域內復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 為固態區，在369～724 s 為熔化區，在724～1 192 s 為液態區。以此高度為20 mm 的相變材料的溫控時間為724 s，高度為10 mm 和15 mm 的溫控時間分別為505 s 和615 s。當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，石蠟的質量也就越大，此時的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間。

圖6 不同高度瞬態溫控性能

在打開電源開始功率輸入時，T1溫度瞬間升高，當T1到達97 ℃時，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 ℃，所花的時間分別為690 s、795 s、1 150 s。這是由于銅纖維較高的熱導率，使得熱源的溫度迅速傳導至MF-PCM，導致20 mm 高度MF-PCM 的側面和中心溫度更高。對于高度為15 mm 的MF-PCM 相比高度為10 mm 的MF-PCM 側面和中心溫度更低，這是因為高度更低的MF-PCM 的熱量傳導距離更近，所以在相同的時間內有更多的熱量傳至MF-PCM 中，又由于較少質量的石蠟導致MF-PCM 相變潛熱作用更弱，整個系統在較短時間T1就到達97 ℃。

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

圖7 不同臨界溫度對比

3 結束語

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

（2）當LED 工作時所要求的臨界溫度為60 ℃時，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，MF-PCM 的高度對LED 的溫控效果影響較小，此時可優先選擇耗材更少，成本更低的15 mm 高度的MF-PCM 熱沉。當LED 工作時所要求的臨界溫度為90 ℃時，選擇溫控時間更長的高度為20 mm 的MF-PCM熱沉。