高導熱低泄漏復合相變材料的制備及其熱控性能研究

摘 要：相變材料在發生相變時可以在維持自身溫度不變的情況下吸收/釋放大量熱量。將相變材料應用于航天器熱控系統中可以有效解決航空設備的溫控問題，將設備溫度維持在正常工作溫度范圍內。石蠟作為應用最為廣泛的相變材料具有熱導率低和相變過程容易泄漏的問題。為了滿足航空設備熱控需求，采用簡單模壓及真空浸漬的方法制備了一種高導熱低泄漏的石蠟/膨脹石墨復合相變材料。當膨脹石墨泡沫密度為0.5g/cm3時，相變材料熱導率為48.7W/m?K，比純石蠟提高了約220倍；其在60°C加熱24h的泄漏率僅為0.6%，表現出較好的定型能力；對復合相變材料進行熱控實驗時，表現出良好的熱控性能。

關鍵詞：復合相變材料；熱導率；泄漏率；熱控性能

中圖分類號：TB34" " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " "文章編號：1007 - 9734 （2024） 06 - 0066 - 05

0 引 言

人造衛星、飛船、飛機等航天器在軌運行時，由于運行軌道外熱流變化較大，導致航天器內設備存在較大的熱負荷波動；而且，隨著航天器內設備逐漸向著微型化、高頻化和集成化發展，航天器設備單位體積所產生的熱量也急劇上升；此外，大多數航天設備具有周期性工作特點且工作溫度范圍較窄［1］，這些問題的存在都給航天器的熱控設計帶來了巨大的挑戰。

相變材料在融化過程中可以在溫度基本保持不變的前提下以潛熱的形式吸收或釋放大量的熱量［2］，尤其適用于具有周期性工作特點的設備［3］。因此，將相變材料應用于航天器熱管理體系中，不但可以解決航天器設備周期性工作時的熱沖擊問題，防止設備溫度激增，還可以降低其溫度波動，將設備溫度維持在正常工作范圍內。此外，采用相變材料進行熱控時，不需要借助外部能源，結構簡單緊湊，相對于傳統風冷、液冷而言，可以在減少能源消耗的同時滿足航天器設備輕量化的需求［4］。

相變熱控技術在航天器熱控領域的應用由來已久。早在1971年，美國的阿波羅15號飛船的信號處理器、驅動控制電路和月球通信轉發單元就分別使用了三套相變材料儲能溫控組件［5］；我國嫦娥一號衛星上裝載的CCD航空相機的熱控組件也使用了相變材料［6］；此外，我國的空間技術研究院研制的兩相流體回路系統中，使用相變材料來應對蒸發器集熱座周期性工作時面臨的熱沖擊問題［7］。

航天用相變材料以石蠟為主，石蠟具有相變焓值大（200kJ/kg ～ 300kJ/kg）、無過冷現象且廉價易得等優點，但存在兩個不足：一是熱導率極低，傳熱速率太慢，無法及時將設備的熱量吸收，導致其熱控性能較差；二是在相變過程中（固液轉變）會發生泄漏，不僅降低其儲熱容量還會污染設備工作環境［8］。因此，為了提升石蠟在航天熱控系統的控溫性能，學者們做了一系列研究：Kim［9］等人針對航空航天器件上短時大功率的高耗熱部件，提出了由熱管和石蠟耦合的新型航天器熱控組件。通過在石蠟中包埋熱管，成功解決了石蠟熱導率低、熱響應速度慢的問題；A Abhat等［10］針對用于衛星熱控制的相變材料溫控裝置進行了研究并以壁面溫度和相變材料熔化時間為指標，對相變材料熱控裝置（無填料、填充鋁翅片）的性能進行了分析。研究結果表明填充鋁翅片可以有效地改善相變材料熱控裝置的儲熱效率，提高其對衛星的熱控能力。在上述研究中，采用熱管、翅片、鋁盒等對石蠟進行強化傳熱和封裝，雖然能提高石蠟的熱導率，減少石蠟泄漏對周圍環境的影響，但是這些結構的使用會增加相變熱控體系的重量，對航天器輕量化結構設計會產生不利的影響。

近年來，為了同時解決石蠟熱導率低、泄漏率差的問題，采用3D多孔炭材料（如3D石墨烯［11-12］、石墨泡沫［13］、三維生物質炭［14］、3D碳納米管［15］、膨脹石墨［16］等）作為支撐結構吸附石蠟制備復合相變材料逐步受到科研人員的關注：多孔結構不僅能存儲足夠多的石蠟，賦予復合相變材料較高的儲熱容量，而且能利用微孔對石蠟較強的毛細吸附力，減少石蠟在相變過程中的泄漏；3D網絡結構能在復合相變材料內部構筑導熱網絡通道，增強其傳熱能力。表1列舉了一些近年來關于3D炭材料基相變復合材料的研究結果。

為了滿足石蠟在航天熱控中的應用需求，本文采用一種簡單的模壓及真空浸漬的方法制備了高導熱低泄漏的石蠟/膨脹石墨復合相變材料，并對其相變溫度、相變焓值、熱導率及熱控性能進行分析，為相變材料在航天熱控領域的發展提供一定的理論和數據支持。

1 復合相變材料的制備及熱性能

1.1 復合相變材料的制備

本論文通過模壓及真空浸漬法來制備石蠟/膨脹石墨復合相變材料（CPCM），該方法工藝簡單，重復性強，其制備工藝如圖1所示。

首先，稱取一定量的膨脹石墨（EG）蠕蟲并將其壓制成不同體積密度的EG泡沫（0.1g/cm3、0.3g/cm3和0.5g/cm3）。將所需石蠟（PW，40°C）置于真空烘箱中將其融化，之后將EG泡沫完全浸沒在液相石蠟中，采用真空浸漬的方法，使液相石蠟浸滲到EG泡沫的孔隙中，待浸滲結束后，將EG泡沫取出，用吸油紙將表面多余的液相石蠟擦掉，待其溫度降至室溫，則得到PW/EG復合相變材料（CPCM1、CPCM2、CPCM3和CPCM4）。其中，CPCM1、CPCM2和CPCM3分別為0.5g/cm3，0.3g/cm3和0.1g/cm3的EG泡沫吸附石蠟所制得。

1.2 復合相變材料的熱性能

1.2.1" 材料的相變溫度和相變焓值

復合相變材料的相變溫度和相變焓值通過德國Netzsch 200 F3 MAIA型差示掃描量熱儀（DSC）來測試，測試結果如圖2所示。表2總結了每個測試樣品在熔化過程中的相變溫度和相變潛熱。從圖2和表2中可以看出，在熔化過程中，所有復合相變材料的相變溫度（Tm）都低于純PW，且EG泡沫的體積密度越高，Tm越低。此外，從表2中可以看出CPCM1、CPCM2和CPCM3在熔化過程中的相變潛熱值（ΔHm）分別為143.9J/g、183.5J/g和210.4J/g。其中PW的吸附率（A）可以通過以下公式計算：

[A=?Hm-CPCM?Hm-PW×100%]

其中ΔHm-CPCM和ΔHm-PW分別為復合相變材料和純石蠟的相變潛熱。經計算，CPCM1、CPCM2和CPCM3中PW的吸附率分別為54.9%、70.0%和80.2%。從計算結果可以發現，隨著EG泡沫體積密度的增加，石蠟的吸附量明顯減少。這是因為隨著EG泡沫體積密度的增加，其孔隙（包括EG蠕蟲自身的網格狀孔隙以及由EG蠕蟲相互搭接形成的孔隙）尺寸減小，導致石蠟吸附量也隨之降低。

1.2.2" 材料的熱導率

復合相變材料的儲/放熱速率是通過熱導率來衡量的，熱導率越大，儲/放熱速率就越高，其值是通過德國Netzsch LFA427 NanoflashTM型激光熱導儀測得的。測試結果如表2所示，CPCM1、CPCM2和CPCM3的熱導率分別為48.7W/m?K、21.4W/m?K和5.0W/m?K，與純PW相比分別提高約220、97和23倍，說明EG的引入，在復合相變材料內部形成了導熱網絡通道，大幅度地提升了石蠟的傳熱能力，且EG泡沫體積密度越大，對石蠟導熱率的提升越明顯。

1.3" 復合相變材料的定型能力

復合相變材料的定型能力是通過泄漏率實驗來表征的，測試方法如下：稱取一定質量（M0）的相變材料，將其置于60°C的烘箱內加熱一段時間后對其質量進行稱量（M1），其定型能力可以通過這段時間內的石蠟泄漏率（Lr）來評價，且Lr值越小，復合相變材料的定型能力越強。

復合材料泄漏率實驗的測試結果如圖3所示，在加熱之前，所有樣品都是塊狀的。當加熱12h后，純PW已經完全融化，而CPCM1、CPCM2和CPCM3雖然都能維持原始形狀，但PW的泄漏量卻不同。經計算，純PW、CPCM1、CPCM2和CPCM3在60℃下加熱12h的泄漏率分別為100%、0.6%、1.3%和7.5%。實驗結果表明，采用EG泡沫作為支撐結構制備復合相變材料，可以顯著增強CPCMs的定型能力，減少石蠟在相變過程中的泄漏量。并且CPCMs對石蠟的定型能力隨EG泡沫體積密度的增加而增強。這是因為隨著EG泡沫的體積密度的增加，其內部孔隙尺寸相應減小，對石蠟的毛細吸附力增加，降低了石蠟在相變過程中的泄漏。

2 復合相變材料熱控性能實驗

2.1" 實驗系統的構建

相變儲能熱控性能實驗裝置主要由模擬熱源、直流電源、數據記錄儀、熱電偶、復合相變材料和底面絕熱材料組成，其示意圖和實物圖如圖4所示。其中，模擬熱源選用硅膠加熱片（圖4c），內部電阻絲均勻排列，發熱比較均勻，尺寸為（長×寬×高）：40 mm×40mm×2mm，相變材料選用CPCM1。實驗過程中，采用K型熱電偶和數據記錄儀來測試和記錄模擬熱源與復合相變材料的溫度，溫度點的測試位置如圖5所示。

2.2" 結果與討論

在熱源面積與散熱面積一定的情況下，航空電子設備工作時的產熱量和溫升速率在很大程度上取決于其工作時的功率大小。為了更好地分析相變材料的熱控性能，我們對其散熱效率（η）進行分析，其值可以通過以下公式來計算：

[η=t1" t0 ]

其中，t1為添加散熱裝置時熱源達到設定溫度（70oC）時所需的時間，而t0為未添加任何散熱裝置時熱源達到70oC時所需的時間。圖6為模擬熱源在不同功率下的溫升曲線，從圖中可以看出，當熱源未添加任何散熱組件，只靠自然冷卻散熱時，一旦對其輸入加熱功率，其溫度便急劇上升，在極短的時間內（＜60s）便達到70oC。而對于添加CPCM1作為散熱組件的熱源而言，其升溫速率較未添加散熱組件的熱源明顯下降，且在加熱過程中，熱源溫度出現了一個明顯的溫度平臺（圖6a）。這是因為在加熱過程中，CPCM1發生相變，以潛熱的形式吸收了熱源產生的大量熱量，將熱源溫度維持在一個相對恒定的范圍內。此外，隨著加熱功率的增加，熱源溫度和CPCM1內部的最大溫差（ΔTMax=TB1-TT2）隨之增加，CPCM1的散熱效率卻隨之降低（圖6b、表3）。這是因為，當加熱功率相對較低時（8W），熱導強化后的CPCM1憑借其較高的熱導率可以將模擬熱源產生的熱量快速傳遞到整個CPCM1表面并吸收，CPCM1的有效利用率較高，散熱效率也較高，其值為96.1。

當加熱功率持續上升至較高水平（10W、12W和16W）時，熱源溫升速率太快，CPCM1因熱導率不夠高，擴熱能力不足，無法迅速將熱量傳遞到整個CPCM1表面，使得CPCM1內部溫差增加，導致CPCM1中只有部分區域發生相變，不能完全發揮其儲熱效能，以潛熱形式吸收的熱量也相應減少，且加熱功率越高，從熱源傳遞出的熱量和CPCM1中發生相變的區域就越少，對熱源的熱控能力也越低，散熱效率也越低，在10W、12W和16W時的散熱效率分別為42.3、18.5和15.3，比8W時的散熱效率分別低了56%、80.7%和84.1%。

綜上所述，復合相變材材料可以作為一種有效的散熱方式應用于電子器件熱管理體系。然而，加熱功率對其熱控性能的影響較大：隨著加熱功率的增加，CPCM的有效利用率降低，對熱源的熱控能力也隨之減弱。

3 結 論

本文采用簡單的模壓及真空浸漬的方法制備了具有高導熱低泄漏的石蠟/膨脹石墨復合相變材料，著重研究了該材料的相變溫度、導熱率及控溫能力。研究發現：隨著膨脹石墨泡沫體積密度的增加，復合相變材料的熱導率由純PW的0.22W/m·K增加至48.7W/m·K；相變溫度則由純PW的43.8°C降低至40.2°C；復合材料的控溫實驗表明，復合相變材料可以作為一種有效的散熱方式應用于航空電子器件熱管理體系。而且，隨著加熱功率的增加，復合相變材料的有效利用率降低，對熱源的熱控能力也隨之減弱。

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責任編校：裴媛慧，陳 強

Preparation and Thermal Control Performance of High Thermal Conductivity and Low Leakage Composite Phase Change Materials

LIANG Yanjuan1，CAO Hongjiang2

（1.School of Aerospace Engineering，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China;

2.Beijing Qidian Robert Service Co. Itd.，Beijing 102600，China）

Abstract：Phase change material can absorb/release a lot of heat and it’s temperature can keep constant in the process of phase transitions.The application of phase change materials in spacecraft thermal control system can ensure the electronic components always working at proper temperature.Paraffin，as one of the most widely used phase change material，has the problems of low thermal conductivity and easy leakage during the phase transitions. In order to meet the requirements of spacecraft thermal control，a kind of paraffin/expanded graphite composite phase change material（CPCM） with high thermal conductivity and low leakage is prepared by simple molding and vacuum impregnation.When the density of expanded graphite foam is 0.5g/cm3，the thermal conductivity of the CPCM is 48.7W/m?K，which is about 220 times higher than that of pure PW.The leakage rate of the CPCM heated at 60℃ for 24 hours is only 0.6%， showing good shaping ability.When the thermal control experiment is carried out on the CPCM， it showes excellent thermal control performance.

Key words：composite phase change material；thermal conductivity；leakage rate；termal control properties