通孔泡沫金屬傳熱性能研究進(jìn)展

王超星，王 芳，王錄才

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

金屬泡沫是20世紀(jì)80年代后期隨著多樣化需求的材料制備以及機(jī)械加工技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一類新型多功能材料。按孔的結(jié)構(gòu)可分為開孔和閉孔兩種。開孔金屬泡沫內(nèi)部是三維的連通結(jié)構(gòu)，孔是不封閉的，如圖1所示為太原科技大學(xué)制備的通孔泡沫鎂合金試樣。由于在開孔金屬泡沫中，金屬骨架具有高的導(dǎo)熱系數(shù)，孔洞相互連通，又使其具有大的比表面積和良好的流通性能，使得流體從通孔多孔材料中通過時(shí)有著極大的熱交換面積，而且金屬材料良好的導(dǎo)熱性能使得溫度能更均勻地分布，在強(qiáng)迫對(duì)流條件下流體在多孔金屬內(nèi)產(chǎn)生的復(fù)雜紊流運(yùn)動(dòng)都促進(jìn)了熱量的交換，因此通孔多孔金屬是一種優(yōu)良的熱交換新型材料，在工程中具有很廣闊的應(yīng)用前景。論文對(duì)泡沫金屬傳熱及散熱性能的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和探討。

1 泡沫金屬傳熱性能表征及分析方法

開孔泡沫金屬的傳熱模式主要有：金屬壁的熱傳導(dǎo)和孔內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)、孔內(nèi)氣體的對(duì)流換熱、金屬壁的熱輻射。如何評(píng)價(jià)金屬泡沫的傳熱性能，進(jìn)而更好的為工程應(yīng)用服務(wù)，是一個(gè)重要的課題。目前表征開孔金屬泡沫的傳熱性能的方法主要有基于多孔介質(zhì)模型思想和基于翅片方法（fin appraoch）思想兩種[1]。

圖1 通孔泡沫鎂合金試樣

1.1 多孔介質(zhì)模型思想

傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)模型通常是用來描述孔隙率在30%～40%的多孔介質(zhì)的傳熱特性及流動(dòng)規(guī)律。而多孔介質(zhì)模型把流體在泡沫中流動(dòng)假設(shè)成一個(gè)連續(xù)體，通過Darcy方程和局部的熱平衡方程求解，由于多孔金屬的高孔隙率導(dǎo)致流動(dòng)非線性效果明顯增強(qiáng)甚至起主導(dǎo)作用，用來描述傳統(tǒng)低孔隙率的多孔介質(zhì)的Darcy方程已經(jīng)不能適用高孔隙率的多孔金屬[2]。

趙長(zhǎng)穎[3]等人對(duì)金屬泡沫中這一高孔隙率的非Darcy流動(dòng)的流體動(dòng)力特性進(jìn)行了理論及試驗(yàn)分析，確定了動(dòng)量方程中非線性項(xiàng)在不同雷諾數(shù)下的作用，并基于金屬泡沫微觀結(jié)構(gòu)提出了非線性慣性力項(xiàng)的表達(dá)式。對(duì)12種鋼合金及銅合金金屬泡沫中的空氣冷卻對(duì)流換熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)及理論研究，測(cè)定了對(duì)流傳熱隨雷諾數(shù)及金屬泡沫微觀結(jié)構(gòu)孔隙率、孔隙大小等參數(shù)的變化規(guī)律，并建立了基于金屬泡沫微觀結(jié)構(gòu)的單相對(duì)流傳熱模型，取得了不錯(cuò)的計(jì)算精度。

1.2 翅片分析模型

翅片方法（fin appraoeh）最早在1981年由Tuchman和Pease[4]提出，用于微通道散熱器的熱性能表征。盧天健在1998年將該思想引入以開孔金屬泡沫金屬為芯層的夾層結(jié)構(gòu)換熱器的對(duì)流換熱性能表征上，獲得了換熱器的整體換熱系數(shù)和壓力降的表達(dá)式。翅片分析方法的提出克服了當(dāng)時(shí)多孔介質(zhì)模型只在低Re數(shù)有效的缺陷，但翅片分析方法在分析時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了過分簡(jiǎn)化，也導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果大大高于實(shí)驗(yàn)數(shù)值。可以說翅片方法的思想已經(jīng)成功應(yīng)用于各種多孔金屬材料。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠詳細(xì)描述微結(jié)構(gòu)，較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)換熱性能，便于材料設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是不易拓展，很難將該方法拓展到非均勻多孔材料的性能分析上[5]。

2 泡沫金屬傳熱性能的影響因素

圖2 泡沫鋁導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置示意圖

影響泡沫金屬的傳熱性能的主要因素有泡沫金屬的孔隙率和孔徑。宋錦柱[6]等根據(jù)多孔鋁導(dǎo)熱原理，利用如圖2所示的泡沫鋁導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，測(cè)定了一定尺寸、孔徑孔隙率泡沫鋁試樣導(dǎo)熱系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：孔隙率是影響多孔鋁導(dǎo)熱性能的主要結(jié)構(gòu)因素。隨著孔隙率的增大，多孔鋁的導(dǎo)熱系數(shù)下降；孔徑也對(duì)多孔鋁的導(dǎo)熱系數(shù)有著不容忽視的影響，在孔隙率不變的條件下，孔徑增大導(dǎo)熱系數(shù)增大。屈治國(guó)，徐治國(guó)[7]等對(duì)水平面上通孔銅金屬泡沫中的空氣自然對(duì)流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究了金屬泡沫孔隙率和孔密度對(duì)總傳熱熱阻的影響。研究結(jié)果表明：與光表面相比，金屬多孔表面有效地強(qiáng)化了自然對(duì)流散熱，使總熱阻至少減小20%左右，如圖3所示。金屬泡沫傳熱面積和自然對(duì)流流動(dòng)阻力均受孔隙率和孔密度的影響。如圖4和圖5，在較小的孔隙率（ε=0.9）下，對(duì)所研究的兩個(gè)孔密度（400m-1和 1600m-1），格拉曉夫數(shù) Gr存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)Gr小于該轉(zhuǎn)折點(diǎn)值時(shí)，孔密度較大的金屬泡沫自然對(duì)流熱阻較小，而當(dāng)Gr大于該轉(zhuǎn)折點(diǎn)值時(shí)，孔密度較小的金屬泡沫熱阻較小。在較大孔隙率（ε=0.95）及實(shí)驗(yàn)所測(cè)的Gr范圍內(nèi)，孔密度較大的金屬泡沫熱阻一直較小。在所研究的兩個(gè)典型孔密度（800m-1和1600m-1）下，孔隙率較小的金屬泡沫熱阻較小，但是在1600m-1時(shí)，其熱阻減小量要明顯大800m-1時(shí)對(duì)應(yīng)的減小量。

圖3 相同尺寸光表面和銅泡沫的熱阻比較

3 泡沫金屬散熱器的研究探索

由于在開孔金屬泡沫中，金屬骨架具有高的導(dǎo)熱系數(shù)，孔洞相互連通，又使其具有大的比表面積和良好的流通性能，使得流體從通孔多孔材料中通過時(shí)有著極大的熱交換面積，而且金屬材料良好的導(dǎo)熱性能使得溫度能更均勻地分布，在強(qiáng)迫對(duì)流條件下流體在多孔金屬內(nèi)產(chǎn)生的復(fù)雜紊流運(yùn)動(dòng)都促進(jìn)了熱量的交換，泡沫金屬內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。氣體在其中流動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生非線性效果，湍流程度加強(qiáng)，使熱量交換更加強(qiáng)烈。所以泡沫金屬有望成為優(yōu)良的熱交換材料。開孔泡沫金屬的優(yōu)良散熱能力必須配以流體介質(zhì)強(qiáng)迫穿過內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)才能夠體現(xiàn)。根據(jù)這一原理，目前已經(jīng)有泡沫金屬作為散熱部件得到了應(yīng)用，而且效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)散熱部件。

圖4 不同孔密度的銅泡沫的換熱特性比較

圖5 不同孔隙率的銅泡沫的換熱特性比較

韓國(guó)Kim[8]等研究人員將傳統(tǒng)翅片式鋁制散熱器與采用泡沫鋁制備的翅片式散熱器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明后置的散熱能力比傳統(tǒng)散熱器增強(qiáng)了很多。原因在于同樣的產(chǎn)品樣式，泡沫鋁材料加工出的散熱器換熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了實(shí)體鋁散熱器。日本Lee[9]等研究人員利用泡沫鋁材料制備出散熱器為電子元件進(jìn)行冷卻效果測(cè)試。冷卻能力高達(dá)100W/cm2。

為解決CPU芯片溫度過高的問題，太原科技大學(xué)[10]嘗試采用構(gòu)形理論和拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)CPU芯片上高導(dǎo)熱材料的鋪設(shè)形式及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期能夠更好地降低CPU芯片溫度，減少高導(dǎo)熱材料用量。測(cè)試了泡沫鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)，其值0.487～2.186（W·m-1·℃-1）反映出泡沫鎂合金在無外加條件下，可視為阻熱材料。分析了泡沫鎂合金的散熱作用原理后用其制作出不同孔徑、不同孔隙率和不同結(jié)構(gòu)樣式的多件泡沫鎂合金散熱器，并且測(cè)試對(duì)比了每件樣品，得到其在使用中的溫度隨時(shí)間變化曲線。經(jīng)分析得到以下結(jié)論：泡沫鎂合金的散熱性能隨著孔徑的增加而提高；接觸面為實(shí)體鎂合金，上部為多孔泡沫鎂合金，這樣的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)散熱效果提升明顯。另外，鎂合金具有良好的阻尼減震性能，應(yīng)用于CPU散熱片上將得到良好的減震效果。

4 結(jié)論

泡沫金屬的多孔結(jié)構(gòu)決定了泡沫金屬的傳熱性質(zhì)，研究泡沫金屬的傳熱性能，把金屬泡沫簡(jiǎn)化為周期性微結(jié)構(gòu)，在考慮流體溫度變化的同時(shí)，對(duì)微結(jié)構(gòu)中的傳熱進(jìn)行分析，得到換熱器整體換熱性能與微結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系。由于泡沫金屬有巨大的比表面積，氣體在其中流動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生非線性效果，湍流程度加強(qiáng)，使熱量交換更加強(qiáng)烈，泡沫金屬用在CPU散熱器上有望取得不錯(cuò)的效果。但目前還大多集中于模擬方面，關(guān)于泡沫金屬的傳熱的研究是一個(gè)交叉、綜合多學(xué)科多領(lǐng)域的命題，需要多種知識(shí)的集成，進(jìn)行全面的綜合的研究探索，就會(huì)更廣泛的應(yīng)用。

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