铜纤维骨架复合相变材料的制备及性能研究

相变材料具有储热密度大,储/放热过程几乎恒温的特点,使其在大功率电子器件及锂电池热管理、太阳能利用、能量系统优化和蓄热材料等领域都具备应用潜力。推动相变材料在以上领域的应用,有助于节能环保减排工作的高效开展及可持续发展的进行。然而,相变材料热导率低这一固有属性,极度削弱它们在相变过程中的传热效率,影响了它们在热管理领域的应用效果及范围。同时,当前提高相变材料热导率的几种方式都存在一定缺陷。针对以上这些问题,本文通过将铜纤维多孔骨架(PCFS)嵌入至石蜡相变材料内部,制备出铜纤维骨架复合相变材料(MF-PCM),以增强整体导热能力和实现石蜡的高灌注率,从而优化相变传热性能。本文主要工作如下:(1)开发出一套制备铜纤维骨架复合相变材料的工艺。选择石蜡作为相变材料,使用多齿刀具切削法加工出铜纤维,运用固相烧结法制备出铜纤维多孔骨架,提出并采用一种真空灌注法将石蜡灌注至铜纤维多孔骨架内,制备出灌注率大于98.3%的具有不同孔隙率和纤维直径的MF-PCM。差示扫描量热法的结果显示:相对于纯石蜡,MF-PCM的相变潜热有所下降,但熔化温度稍微上升。(2)搭建了可视化温度测量平台对铜纤维骨架复合相变材料的相变传热性能进行研究。对比了MF-PCM和纯石蜡两者相变传热行为的差异,可视化研究了它们在恒热流作用下的固液熔化界面演变过程。结果发现:PCFS约束了液体石蜡的自然对流,导致MF-PCM的固液界面倾斜角度远小于纯石蜡。但PCFS对热传导的增强超过了对自然对流的抑制,提升了相变材料的相变传热性能。探索了孔隙率和纤维直径对铜纤维骨架复合相变材料的准一维相变传热性能的影响规律,发现减小孔隙率能够提升MF-PCM的相变传热性能,但纤维直径对相变传热性能的影响程度相比于孔隙率弱化很多。(3)设计了一种用于大功率LED光源温控的MF-PCM热沉,并搭建了一个实验测试平台,同时选择两种其它填充模式(纯石蜡热沉、空热沉)作为参照,对该热沉的实际应用效果及温控性能展开了系统的实验研究。先后在四种输入功率、三种周期工作模式、三个环境温度和有/无设置直流风扇这些工况下测试了热沉的温控性能,同时研究了孔隙率和纤维直径对MF-PCM温控性能的影响。当MF-PCM热沉处于控温区时,它的温控性能优于纯石蜡热沉。且随着输入功率的上升,MF-PCM热沉相对于纯石蜡热沉的温控提升效果更为明显。(4)基于显热容法建立了一个MF-PCM热沉的数值模型,并采用蓝宝石法测量获得石蜡等效热容与温度的函数,为数值模型提供准确输入。使用ANSYS?Icepak对模型进行有限元建模及求解,并与实验结果对比验证模型的准确性。当孔隙率为75%时,MF-PCM热沉的模拟结果与实验结果具有非常好的一致性。在将孔隙率固定为75%的前提下,利用该数值模型研究相变温度、金属纤维材料和复合相变材料形状对热沉性能的影响,为进一步研究提供参考依据。