相變材料作為驅(qū)動力在航天器上的研究與應(yīng)用

許發(fā)鐸，孫耀赤，趙欣，楊昌鵬，鄭利杰

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州 730000；2.中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

相變材料作為驅(qū)動力在航天器上的研究與應(yīng)用

許發(fā)鐸1，孫耀赤1，趙欣2，楊昌鵬2，鄭利杰1

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州 730000；2.中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

大多數(shù)相變材料由固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄷r，吸收相變潛熱，相變材料體積膨脹；從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r放出相變潛熱，體積縮小。利用相變材料的這種體積隨相變而變化的特性，將一定量的相變材料封裝在密閉容器中，通過環(huán)境溫度引起相變材料相變，相變過程中因體積變化產(chǎn)生的力，為某些需要微小位移量的運(yùn)動機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動動力。最后，實(shí)例說明相變材料這種特性在航天器微驅(qū)動上的應(yīng)用。

相變材料；微動機(jī)構(gòu)；體積變化；驅(qū)動力

0 引言

在自然界中存在豐富的相變材料（Phase Change Materials，PCM），美國NASA Phase Change Materials Handbook列出了五百多種相變材料[1]。相變材料根據(jù)其物理和化學(xué)性質(zhì)大致可分為：石蠟類、非石蠟有機(jī)物、水化鹽、金屬、熔鹽低熔共晶物等。在諸多相變材料中，石蠟類相變材料以其熔點(diǎn)可選范圍廣（-5～66℃）、相變潛熱高、無毒、無腐蝕性，且具有較穩(wěn)定的物化性能等優(yōu)點(diǎn)，在民用及航空航天領(lǐng)域常被列為優(yōu)先選用的材料。

通常狀況下，相變材料在相變溫度點(diǎn)附近吸收足夠的熱量后（相變材料的潛熱、顯熱以及容器的顯熱：Q吸=QPCM+Q相顯+Q容），從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?；反之，?dāng)相變材料的溫度下降到相變溫度點(diǎn)后，由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，同時放出熱量（熱量為相變潛熱、顯熱以及容器顯熱之和：Q出=QPCM+Q相顯+Q容）。在一個溫度循環(huán)中，相變材料的溫變區(qū)間一致時，固相→液相與液相→固相所吸收和釋放的熱量是相等的，既：Q吸=Q出。

大多數(shù)相變材料的狀態(tài)從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄷r體積膨脹，相反則縮小，利用相變材料的這種體積隨狀態(tài)變化的特性，將一定量的相變材料密封在容器中為航天器微動機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動動力，改變某些特殊部件的相對位置關(guān)系，例如熱控百葉窗驅(qū)動、太陽能帆板展開驅(qū)動等。L.Klintberg等利用石蠟在固相和液相之間轉(zhuǎn)變時的體積膨脹力為衛(wèi)星微機(jī)電推進(jìn)器提供驅(qū)動力[2-3]。研究表明在60 MPa壓力下，相變材料仍可產(chǎn)生9%的體積膨脹率[4]。D.C.Webb等[5-6]利用石蠟相變材料的相變儲能和體積膨脹特性，研制了溫差能水下滑翔機(jī)。

1 體積膨脹率研究

相變型微驅(qū)動機(jī)構(gòu)中，相變材料的選擇是一個比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，需要考慮被控元件的溫度控制要求以及密封裝置的材料性質(zhì)等因素。作為儲熱膨脹型相變材料的選型原則主要有以下幾點(diǎn)：（1）相對較大的相變體積變化率；（2）無毒、無腐蝕性，物理化學(xué)性能穩(wěn)定；（3）具有合適的相變溫度點(diǎn)，良好的導(dǎo)熱性能熱擴(kuò)散性能和較高的相變潛熱量；（4）與容器之間具有良好的相容性。

通過石蠟類相變材料正十三烷熔化和凝固實(shí)驗，研究相變材料的膨脹率，得出相變材料在相變溫度點(diǎn)附近體積對應(yīng)溫度的變化關(guān)系，通過這種變化關(guān)系，可以計算出相變材料的用量以及在相變時提供的相對位移量。

1.1 實(shí)驗的材料與方法

實(shí)驗的相變材料選用純度為99%的正十三烷450 ml，正十三烷的相變溫度為-5℃。實(shí)驗裝置如圖1所示。

圖1 相變材料膨脹系數(shù)實(shí)驗

將450 ml的相變材料裝入量杯，在相變材料中浸入溫度傳感器1。調(diào)節(jié)實(shí)驗箱溫度，使實(shí)驗箱的溫度從室溫降至相變溫度點(diǎn)以下5℃，觀察和記錄相變材料的體積變化；然后溫度升至室溫。通過實(shí)驗溫度和體積得出相變材料的溫度與體積之間的關(guān)系。

1.2 實(shí)驗結(jié)果數(shù)據(jù)

實(shí)驗數(shù)據(jù)如表1和表2所列。從實(shí)驗數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)相變材料從起始溫度28.7℃降至-10℃，相變材料從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，相變材料的體積隨著溫度的降低而變小。相變材料從液相28.7℃完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?10℃時其體積減小7.78%。

表1 正十三烷相變實(shí)驗結(jié)果

表2 體積變化實(shí)驗結(jié)果

當(dāng)相變材料的溫度升高，進(jìn)行逆向相變時相變材料的體積變化也為7.78%。

將測得數(shù)據(jù)帶入公式（1），得出相變材料在某個溫度點(diǎn)的體積變化率?V。

式中：V為相變材料的初始體積；Vt為相變材料在某一溫度點(diǎn)的體積。

2 應(yīng)用

利用相變材料在相變時的體積膨脹和收縮的力（相變指固相與液相之間的轉(zhuǎn)換），可以為某些空間飛行器或民用產(chǎn)品的微動機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動力，驅(qū)動行程較小的可以直接驅(qū)動，對于行程較大的通過傳動連桿將驅(qū)動行程放大。直接驅(qū)動可獲得很大的驅(qū)動力，傳動連桿驅(qū)動時，由于桿件力矩將損失部分的驅(qū)動力。

相變驅(qū)動力不需要額外的電源支持和控制部件，只需要周圍環(huán)境溫度的變化引發(fā)相變材料的相變即可，相變產(chǎn)生的體積變化來驅(qū)動微動機(jī)構(gòu)。這種驅(qū)動機(jī)構(gòu)可極大的減少機(jī)構(gòu)的部組件，將簡化裝置機(jī)構(gòu)，以提高其可靠性。同時也為空間飛行器節(jié)約能量資源。為了提高相變材料的導(dǎo)熱率，一般在相變材料中添加高導(dǎo)熱率的填料，常用的有：鋁粉末、鋁（銅）泡沫、鋁纖維、鋁蜂窩板、肋板、三氧化二鋁粉末、三氧化二鋁泡沫、熱解石墨等[7]。近幾年隨著航天技術(shù)的發(fā)展，依靠相變材料在相變時產(chǎn)生的力對一些微動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動研究和應(yīng)用越發(fā)廣泛了。

2.1 相變型熱開關(guān)

相變型熱開關(guān)采用正十六烷作為相變材料，來驅(qū)動熱開關(guān)熱端的軸向移動。此類型相變型熱開關(guān)行程間隙為0.5 mm左右。熱開關(guān)需要具備較大的推力，以便將熱開關(guān)的冷端和熱端緊密的連接起來，形成傳熱良好的熱通路。相變型熱開關(guān)原理圖如圖2所示。

圖2 熱開關(guān)工作原理圖

發(fā)熱元件的熱量通過熱端傳遞到密封在彈性波紋管中的相變材料，相變材料開始吸收熱量。當(dāng)發(fā)熱元件的溫度達(dá)到相變材料的相變溫度點(diǎn)后，相變材料開始從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，相變材料的體積膨脹，膨脹后的體積推動具有彈性的銅質(zhì)波紋管伸長，當(dāng)伸長量達(dá)到冷端與熱端的間隙后，冷端與熱端接觸，熱量開始從熱端傳遞到冷端，并通過冷端散熱面排到外部空間，起到對發(fā)熱元件降溫的作用。由于整套系統(tǒng)處于真空環(huán)境中，因此在熱量傳遞中只有輻射和熱傳導(dǎo)。

當(dāng)發(fā)熱元件的熱量散失，溫度開始變低，達(dá)到相變溫度點(diǎn)時，相變材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，同時相變材料的體積減小，彈性波紋管在本身彈力的作用下縮短，冷端和熱端分開，熱通路斷開，發(fā)熱元件的溫度也隨之升高，完成一次溫度調(diào)節(jié)。

2.2 相變驅(qū)動釋放機(jī)構(gòu)

相變驅(qū)動釋放機(jī)構(gòu)是一種通過傳動組件將微小的相變移動量放大，得到較長距離的位移或轉(zhuǎn)動，釋放機(jī)構(gòu)原理圖如圖3所示，此機(jī)構(gòu)是一種將微小的相變位移量放大的典型機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)包括：相變材料封裝器、相變材料、傳動組件、安全銷、釋放桿以及機(jī)構(gòu)框架等。其工作原理與熱開關(guān)相變材料的原理基本類似。

融化膨脹的相變材料將推動桿向右推動，傳動組件將微小的移動量按固定的比例關(guān)系放大以推開卡槽釋放設(shè)備。凝固時復(fù)位彈簧將推桿推至0位，準(zhǔn)備好下一次的釋放準(zhǔn)備。

圖3 釋放機(jī)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論與展望

由實(shí)驗得出相變材料在固相和液相之間轉(zhuǎn)換時有8%左右的體積變化，將這變化的體積通過活塞、波紋管或皮囊等機(jī)構(gòu)裝置轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ虻囊苿?，這種定向的移動直接或間接地為需要微動目標(biāo)機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動力。

根據(jù)溫度控制要求，可以選用不同相變溫度點(diǎn)的相變材料，在選擇相變材料時需要考慮相變材料與封裝容器之間的相容性，以避免在工作期間因為腐蝕而發(fā)生相變材料的泄漏，降低相變驅(qū)動力或動力失效，同時相變材料污染其他設(shè)備元器件。隨著航天的發(fā)展，節(jié)約空間、減輕重量和提高效能越來越受到重視，相變驅(qū)動裝置不需要任何電源和控制單元，只要隨著周圍環(huán)境溫度的交替變化，就可以達(dá)到控制和驅(qū)動的目的，節(jié)省了電力資源。這種驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠性高，已受到航空航天以及民用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

[1]Hale D V，Hoover M J，Oneill M J，etal.Phase Change Materi-als Handbook[M].USA：NASA，1971：CR-61363.

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[5]Webb D C，Simonetti J，Jones C P.SLOCUM：An underwater glider propelled by environmental energy[J].IEEE Journal of oceanicEng，2001,26（4）：447-452.

[6]Webb D C，Simonetti P.The slocum AUV：An environmental-ly prope underwater glider，Proc.11th Int.Symposium on Un-manned Unsheltered vehicles[C].U New Hampshire，August，1999：75-85.

[7]閔桂榮，郭舜.航天器熱控制[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

THE RESEARCH AND APPLICATION OF THE PHASE CHANGE MATERIALS AS THE DRIVING FORCE ON THE SPACECRAFT

XU Fa-duo1，SUN Yao-chi1，ZHAO Xin2，YANG Chang-peng2，ZHENG li-jie1
（1.Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，LanzhouGansu730000；2.ChinaAcademy of Space Technology，Beijing100094）

Most of the phase change material when they convert from the solid phase to the liquid phase，absorb the latent heat of the phase change material，and the volume of the phase change material expands；when they convert from the liquid phase to the solid phase，release latent heat of the phase change material，and the volume of the phase change material reduce.By use of the characteristic of the volume of the phase change material variation with the phase transition，a certain amount of the phase change material closed in a sealed container，the phase transition of the phase change materials with the variation of the ambient temperature，the stress which is produced due to the volume changes during the phase transformation，provides drive force for moving mechanism requires some tiny displacement.Finally，the property of the phase change materials is applied for micro drive in spacecraft with example.

the phase change material；micro mechanism；the variation of the volume；driving force

V250.2

A

1006-7086（2014）04-0239-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.04.010

2014-05-22

許發(fā)鐸（1977-），男，青海省互助縣人，工程師，從事航天器熱控制方面的研究。

E-Mail：zhxxxfd@163.com