泡沫金屬散熱性能及應(yīng)用前景

譚禮明，南　森，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）

泡沫金屬散熱性能及應(yīng)用前景

譚禮明，南森，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）

由于泡沫金屬三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一般通過實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值分析以及數(shù)值模擬的方法對(duì)其散熱性能進(jìn)行研究。本文通過介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)泡沫金屬的表面?zhèn)鳠崽匦浴航底枇μ匦砸约靶滦团菽饘偕崞鞯难芯繝顟B(tài)，分析其應(yīng)用前景。

泡沫金屬；表面?zhèn)鳠幔粔航底枇?；散熱?/p>

現(xiàn)如今，高性能、多功能、小型化、高效化，已成為電子產(chǎn)品發(fā)展的主流方向，但這種高度集成產(chǎn)品在其運(yùn)行過程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果這些熱量不能夠及時(shí)散掉，就會(huì)在其核心部件周圍聚集，影響其性能，所以電子產(chǎn)品的散熱問題成為制約其快速發(fā)展的主要因素。而泡沫金屬因其比表面較大且金屬骨架的導(dǎo)熱系數(shù)大，有望成為散熱器的核心材料，解決電子產(chǎn)品的散熱問題。

1　泡沫金屬

泡沫金屬根據(jù)其孔結(jié)構(gòu)可以分為開孔和閉孔兩種，如圖1所示的兩種泡沫鋁試樣。閉孔泡沫金屬內(nèi)部的孔洞都被金屬骨架隔開，相互獨(dú)立、互不連通，即每一個(gè)孔都是封閉的；開孔泡沫金屬中孔洞之間相互貫通，流體可以從孔洞中滲流通過［1］。在開孔泡沫金屬，由于孔洞的存在，增加了流體和金屬骨架的換熱面積，可以制備成熱交換介質(zhì)，應(yīng)用到各類設(shè)備的緊湊型散熱器中［2］。同時(shí)，由于其具有高強(qiáng)度、高韌性且質(zhì)量輕等特點(diǎn)，因此可以充當(dāng)汽車結(jié)構(gòu)件、航天設(shè)備等的緩沖器和吸震器，也可以應(yīng)用到航天飛機(jī)的起落架上［3，4］。

圖1 泡沫鋁試樣

2　開孔泡沫金屬傳熱的研究現(xiàn)狀

開孔泡沫金屬因其比表面大，因此在強(qiáng)化換熱領(lǐng)域中經(jīng)常可以作為熱量傳導(dǎo)的媒介而被制備熱交換器［5］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大約半個(gè)世紀(jì)的研究發(fā)現(xiàn)，要綜合評(píng)價(jià)一個(gè)熱交換器的換熱性能的好壞，需要研究其對(duì)流傳熱特性和壓降阻力特性。

2.1開孔泡沫金屬阻力特性

流體在流過開孔泡沫金屬時(shí)，受到金屬骨架的阻礙作用，以及流體和金屬骨架表面的摩擦作用都會(huì)使流體的機(jī)械能損失，流體速度降低，即開孔泡沫金屬阻力特性。

早在19世紀(jì)60年代末，Darcy［6］等人就根據(jù)水在土壤中的滲流過程，提出了著名的Darcy定律，即：?jiǎn)蜗嘟橘|(zhì)流過多孔介質(zhì)時(shí)受到的阻力包括粘性阻力和慣性阻力，且壓降和流體流速呈二次方關(guān)系，開創(chuàng)了人類研究多孔介質(zhì)中壓降和流體流速關(guān)系的先河。

Bastawros［7］等人對(duì)Darcy定律做了進(jìn)一步延伸。當(dāng)空氣通過孔密度為30PPI、孔隙率為91.5%的開孔泡沫鋁時(shí)，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)雷諾系數(shù)Re＜1.01，即流體流速很小時(shí)，壓降和流體流速呈冪級(jí)數(shù)關(guān)系，即流體通過開孔泡沫金屬的孔洞時(shí)受到的阻力和流速有很大的關(guān)系。

Mancin［8］等人認(rèn)為開孔泡沫鋁的滲透率隨平均孔徑的增大而增大，慣性系數(shù)則是隨著平均孔徑的增大而減小；，而在相同孔密度下，慣性系數(shù)則隨著開孔泡沫鋁的孔隙率的增大而增大。

Dukhan等人壓縮不同孔密度，不同孔隙率的開孔泡沫鋁，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣通過壓縮后的開孔泡沫鋁產(chǎn)生的壓降顯著高于壓縮前的開孔泡沫鋁的壓降，且壓縮后的開孔泡沫鋁的粘性阻力和慣性阻力的數(shù)據(jù)比壓縮前的開孔泡沫鋁的更有規(guī)律性。

Khayargoli等人用不同流速的流體流過不同孔徑、孔隙率的開孔泡沫鎳合金，結(jié)果發(fā)現(xiàn)開孔泡沫鎳的孔徑越大，相對(duì)應(yīng)的孔密度就越小，泡沫鎳的滲透率就越大，流體通過開孔泡沫鎳的壓降越小，同時(shí)也指出了開孔泡沫金屬的孔隙率對(duì)流體流過開孔泡沫金屬產(chǎn)生的壓降影響不大。

Madraj［9］等人用不同流速的空氣分別通過簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的開孔泡沫金屬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)多孔泡沫金屬的結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，滲透率隨著開孔泡沫金屬的的孔徑增大而減小，而當(dāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單時(shí)，孔徑越大，滲透率越大；但是不管開孔泡沫金屬的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，只要孔隙率越大，滲透率就越大，空氣流過泡沫金屬產(chǎn)出的壓降越小。

Kim［10］等以水作為冷卻介質(zhì)，流過孔隙率高達(dá)為89%～96%的開孔泡沫金屬，研究高開孔泡沫金屬翅片的摩擦阻力情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫金屬翅片的慣性系數(shù)、滲流率和開孔泡沫金屬的孔隙率有很大的關(guān)系。

Hsieh等人用6個(gè)不同孔隙率、不同孔密度的泡沫金屬鋁散熱器來(lái)研究孔隙率、孔密度對(duì)散熱器散熱的影響。結(jié)果表明：孔隙率一定，泡沫鋁的對(duì)流換熱系數(shù)隨孔密度的增大而減?。划?dāng)孔密度一定時(shí)，泡沫鋁的對(duì)流換熱系數(shù)隨著孔隙率的增大而增大。

近幾年，國(guó)內(nèi)的王曉魯［11］教授用泡沫鎳、泡沫銅代替這兩種金屬的翅片結(jié)構(gòu)，來(lái)研究泡沫金屬的對(duì)流換熱情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：流體流過泡沫金屬的的阻力比流過翅片的阻力大的多。邱海平［12］等人將泡沫鋁加工成翅片散熱器的形狀，研究泡沫鋁翅片的散熱情況，得出流體流過泡沫金屬的阻力和孔密度有很大的關(guān)系，泡沫金屬的孔密度越大，阻力越大。

由此可見，孔隙率，孔徑或孔密度對(duì)流體通過泡沫金屬遇到的壓降阻力有決定性的作用。鑒于多孔泡沫金屬的壓降阻力特征直接影響其散熱性能，因此研究泡沫金屬孔隙率、孔徑對(duì)壓降阻力的影響迫在眉睫。

2.2多孔泡沫金屬傳熱特性

泡沫金屬在換熱過程主要是金屬骨架間的熱傳導(dǎo)，金屬骨架和流體之間對(duì)流傳熱以及金屬骨架的熱輻射，即泡沫金屬的換熱是金屬骨架的熱傳導(dǎo)、金屬骨架和流體對(duì)流換熱以及金屬骨架熱輻射的綜合結(jié)果。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者引入一個(gè)有效導(dǎo)熱系數(shù)λ*來(lái)描述多孔泡沫金屬中綜合傳熱，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，要計(jì)算出泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)λ*必須知道知道屬骨架和流體對(duì)流換熱系數(shù)。

Boomsma［15～18］等人將多孔泡沫金屬簡(jiǎn)理想化為十四面體單胞模型，分別計(jì)算空氣和水流過開孔泡沫鋁的十四面體模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果推導(dǎo)出了泡沫金屬有效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方程式。結(jié)果表明：金屬骨架的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)多孔泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)有很大的影響，而流體的種類、流體的流速對(duì)多孔泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)幾乎沒有影響。

Druma［17～21］等人將多孔泡沫石墨結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成正方體單胞模型（如圖2），用數(shù)值分析和有限元法模擬兩種方法分別計(jì)算了泡沫石墨的有效導(dǎo)熱系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)多孔泡沫石墨的孔隙率較低時(shí)，數(shù)值分析的結(jié)果和有限元模擬的結(jié)果一致，而當(dāng)孔隙率很高時(shí)，這兩種方法的計(jì)算結(jié)果相差很大。

K.C.Leong［22］等人在Druma的基礎(chǔ)上，將多孔泡沫石墨立方體單胞模型切去八個(gè)頂角，簡(jiǎn)化成缺角正方體模型，并根據(jù)泡沫石墨的平均孔徑來(lái)調(diào)節(jié)模型的單胞模型的幾何尺寸，從而推導(dǎo)出泡沫石墨的有效熱導(dǎo)率的計(jì)算方程式。研究計(jì)算方程式發(fā)現(xiàn)，孔隙率一定時(shí)，泡沫石墨的有效熱導(dǎo)系數(shù)隨著孔徑的增大而減小，當(dāng)孔徑一定時(shí)，泡沫石墨的有效熱導(dǎo)系數(shù)也隨著孔隙率的增大而減小，但是有效導(dǎo)熱系數(shù)和通過泡沫石墨孔洞流體的導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)關(guān)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，R.Singh等人提出一個(gè)全新的分析理論：熱電比擬理論，并在前人研究的基礎(chǔ)上，引入兩個(gè)幾何特征：相關(guān)因子和角度。在此基礎(chǔ)上用數(shù)值分析的方法推導(dǎo)出高孔隙率的泡沫金屬以及泡沫石墨的有效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方程式，并給出不同金屬的相關(guān)因子的值。

Jagjiwanram等人認(rèn)為多孔泡沫金屬由金屬骨架和流體兩部分組成，因此可以將金屬骨架和流體兩部分分開計(jì)算求解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬骨架的排列和流體流動(dòng)方向垂直時(shí)，泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)最小；而當(dāng)金屬骨架的排列和流體流動(dòng)方向一致時(shí)，泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)最大，因此，一般來(lái)說(shuō)，多孔泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)介于兩者之間，它的大小是由金屬骨架排列方向和流體流動(dòng)方向的夾角決定的。

Zhao，C.Y.等人認(rèn)為泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)和周圍溫度的關(guān)系較大。通過測(cè)試不同孔隙率、孔密度的泡沫金屬在不同溫度下的有效熱導(dǎo)率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)環(huán)境溫度很高時(shí)，泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的增加而顯著增大。

Phaviknmar［26］等人認(rèn)為：在空氣的自然對(duì)流情況下，高孔隙率的開孔泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)并不受熱彌散作用的影響，但是在強(qiáng)制對(duì)流情況下，如果忽略熱彌散作用，高孔隙率的泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

北京科技大學(xué)劉曉丹［22］等人將高孔隙率的泡沫金屬簡(jiǎn)化成均勻化的矩形通道（圖3）模型，并將單個(gè)的泡沫金屬孔洞簡(jiǎn)化成六棱柱泡沫單胞，在此六棱柱泡沫單胞的基礎(chǔ)上運(yùn)用R.Singh的熱電比擬理論，得出高孔隙率泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方程式。而史語(yǔ)鳳［28］等人在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法，用CFD流體模擬軟件將通道網(wǎng)格劃分，來(lái)計(jì)算多孔泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)。

圖2 簡(jiǎn)單立方體模型

圖3　六棱柱泡沫單胞和矩形通道

3　泡沫金屬散熱器的研究現(xiàn)狀

2000年韓國(guó)研究人員Kim［10］等人將泡沫鋁加工成翅片散熱器，同傳統(tǒng)的鋁制翅片散熱器對(duì)比，結(jié)果表發(fā)現(xiàn)泡沫鋁制散熱器的散熱能力比傳統(tǒng)的散熱器增強(qiáng)了很多。西安交通大學(xué)的屈治國(guó)［29］等人用開孔泡沫金屬銅代替實(shí)體銅片，研究泡沫金屬散熱器的散熱情況。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有三部分組成：加熱系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如圖4所示）。研究發(fā)現(xiàn)得出：（1）多孔泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特性，比如孔隙率、孔密度對(duì)換熱影響很大。（2）在自然對(duì)流情況下，泡沫銅散熱器的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于普通的金屬銅，壓降熱阻減少了20%以上。為了解決計(jì)算機(jī)CPU芯片的溫度過高的問題，太原科技大學(xué)［3］的研究人員嘗試對(duì)CPU芯片上的散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過用幾何構(gòu)造相同的泡沫鎂散熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)翅片散熱器，接觸面為實(shí)體的鎂合金平面，頂部為多孔泡沫鎂合金的散熱器結(jié)構(gòu)對(duì)散熱效果提升比較明顯。

圖4　測(cè)量泡沫金屬換熱性能的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

張國(guó)立等人研究了在強(qiáng)制對(duì)流狀況下，開孔泡沫金屬的散熱情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)泡沫金屬銅的孔隙率為90%，孔密度為20PPI時(shí)，能顯著提高散熱器的散熱性能。其中填充泡沫金屬銅的矩形通道的溫度比光管低了3～4倍。Boomsma［15］等人選用水作為流體，選用一定程度壓縮后的泡沫金屬鋁作為散熱器和工業(yè)上一般的散熱器進(jìn)行對(duì)比研究。研究結(jié)果顯示：在相同的流體流速下，壓縮后的泡沫金屬鋁散熱器比一般工業(yè)散熱器好的多，且熱阻僅是一般工業(yè)散熱器好的1/2到1/3之間。同時(shí)，Boomsma以物體總是朝著表面能最小的方向發(fā)展為原理，建立了多孔泡沫金屬的孔洞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)這種幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：模擬結(jié)果中流體流過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓降要比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小的多。Pradeep［29］等人選用不同高度泡沫鋁、泡沫銅作為散熱器，研究其在垂直通道中的對(duì)流換熱性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：孔隙率為87%的泡沫鋁和孔隙率為97%的泡沫銅在相同空氣流速下，對(duì)流換熱強(qiáng)度相當(dāng)。

4展望

泡沫金屬因其較大的比表面積、金屬骨架部分較大的熱導(dǎo)率，使其能夠?qū)⒔?jīng)過其通道的熱量很快散失掉，因而有可能稱為制備新型散熱器的核心材料，解決日益嚴(yán)重的電子產(chǎn)品的散熱問題，推動(dòng)電子產(chǎn)品的快速發(fā)展。

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Metal Foam Heat Dispersion Property Research Status and Application Prospect of Metal Foams

TAN Li-ming，NAN Sen，WANG Fang，WANG Lu-cai
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

Because of the complexity of the three-dimensional structure，the heat dispersion of metal foam was generally studied though experimental research，numerical analysis and numerical simulation.This paper introduces the recent researches on the study of the characteristics of the surface heat transfer and pressure drop and the novel metal foam radiator to analyze its application prospect.

metal foam，surface heat transfer，pressure drop，radiator

TB34

A

1674-6694（2015）03-0051-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.03.015

2016-01-09

譚禮明（1988-），男，本科生。

王芳（1972-），女，博士，副教授，碩導(dǎo)。

山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（2015276）