泡沫金属散热性能及应用前景

谭礼明，南　森，王　芳，王录才

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

泡沫金属散热性能及应用前景

谭礼明，南森，王芳，王录才

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

由于泡沫金属三维结构的复杂性，一般通过实验研究、数值分析以及数值模拟的方法对其散热性能进行研究。本文通过介绍近年来国内外研究者对泡沫金属的表面传热特性、压降阻力特性以及新型泡沫金属散热器的研究状态，分析其应用前景。

泡沫金属；表面传热；压降阻力；散热器

现如今，高性能、多功能、小型化、高效化，已成为电子产品发展的主流方向，但这种高度集成产品在其运行过程中势必会产生大量的热，如果这些热量不能够及时散掉，就会在其核心部件周围聚集，影响其性能，所以电子产品的散热问题成为制约其快速发展的主要因素。而泡沫金属因其比表面较大且金属骨架的导热系数大，有望成为散热器的核心材料，解决电子产品的散热问题。

1　泡沫金属

泡沫金属根据其孔结构可以分为开孔和闭孔两种，如图1所示的两种泡沫铝试样。闭孔泡沫金属内部的孔洞都被金属骨架隔开，相互独立、互不连通，即每一个孔都是封闭的；开孔泡沫金属中孔洞之间相互贯通，流体可以从孔洞中渗流通过［1］。在开孔泡沫金属，由于孔洞的存在，增加了流体和金属骨架的换热面积，可以制备成热交换介质，应用到各类设备的紧凑型散热器中［2］。同时，由于其具有高强度、高韧性且质量轻等特点，因此可以充当汽车结构件、航天设备等的缓冲器和吸震器，也可以应用到航天飞机的起落架上［3，4］。

图1 泡沫铝试样

2　开孔泡沫金属传热的研究现状

开孔泡沫金属因其比表面大，因此在强化换热领域中经常可以作为热量传导的媒介而被制备热交换器［5］。国内外学者经过大约半个世纪的研究发现，要综合评价一个热交换器的换热性能的好坏，需要研究其对流传热特性和压降阻力特性。

2.1开孔泡沫金属阻力特性

流体在流过开孔泡沫金属时，受到金属骨架的阻碍作用，以及流体和金属骨架表面的摩擦作用都会使流体的机械能损失，流体速度降低，即开孔泡沫金属阻力特性。

早在19世纪60年代末，Darcy［6］等人就根据水在土壤中的渗流过程，提出了著名的Darcy定律，即：单相介质流过多孔介质时受到的阻力包括粘性阻力和惯性阻力，且压降和流体流速呈二次方关系，开创了人类研究多孔介质中压降和流体流速关系的先河。

Bastawros［7］等人对Darcy定律做了进一步延伸。当空气通过孔密度为30PPI、孔隙率为91.5%的开孔泡沫铝时，发现：当雷诺系数Re＜1.01，即流体流速很小时，压降和流体流速呈幂级数关系，即流体通过开孔泡沫金属的孔洞时受到的阻力和流速有很大的关系。

Mancin［8］等人认为开孔泡沫铝的渗透率随平均孔径的增大而增大，惯性系数则是随着平均孔径的增大而减小；，而在相同孔密度下，惯性系数则随着开孔泡沫铝的孔隙率的增大而增大。

Dukhan等人压缩不同孔密度，不同孔隙率的开孔泡沫铝，结果发现当空气通过压缩后的开孔泡沫铝产生的压降显著高于压缩前的开孔泡沫铝的压降，且压缩后的开孔泡沫铝的粘性阻力和惯性阻力的数据比压缩前的开孔泡沫铝的更有规律性。

Khayargoli等人用不同流速的流体流过不同孔径、孔隙率的开孔泡沫镍合金，结果发现开孔泡沫镍的孔径越大，相对应的孔密度就越小，泡沫镍的渗透率就越大，流体通过开孔泡沫镍的压降越小，同时也指出了开孔泡沫金属的孔隙率对流体流过开孔泡沫金属产生的压降影响不大。

Madraj［9］等人用不同流速的空气分别通过简单结构和复杂结构的开孔泡沫金属，结果发现当多孔泡沫金属的结构复杂时，渗透率随着开孔泡沫金属的的孔径增大而减小，而当结构简单时，孔径越大，渗透率越大；但是不管开孔泡沫金属的结构简单还是复杂，只要孔隙率越大，渗透率就越大，空气流过泡沫金属产出的压降越小。

Kim［10］等以水作为冷却介质，流过孔隙率高达为89%～96%的开孔泡沫金属，研究高开孔泡沫金属翅片的摩擦阻力情况。实验结果表明，泡沫金属翅片的惯性系数、渗流率和开孔泡沫金属的孔隙率有很大的关系。

Hsieh等人用6个不同孔隙率、不同孔密度的泡沫金属铝散热器来研究孔隙率、孔密度对散热器散热的影响。结果表明：孔隙率一定，泡沫铝的对流换热系数随孔密度的增大而减小；当孔密度一定时，泡沫铝的对流换热系数随着孔隙率的增大而增大。

近几年，国内的王晓鲁［11］教授用泡沫镍、泡沫铜代替这两种金属的翅片结构，来研究泡沫金属的对流换热情况，实验结果表明：流体流过泡沫金属的的阻力比流过翅片的阻力大的多。邱海平［12］等人将泡沫铝加工成翅片散热器的形状，研究泡沫铝翅片的散热情况，得出流体流过泡沫金属的阻力和孔密度有很大的关系，泡沫金属的孔密度越大，阻力越大。

由此可见，孔隙率，孔径或孔密度对流体通过泡沫金属遇到的压降阻力有决定性的作用。鉴于多孔泡沫金属的压降阻力特征直接影响其散热性能，因此研究泡沫金属孔隙率、孔径对压降阻力的影响迫在眉睫。

2.2多孔泡沫金属传热特性

泡沫金属在换热过程主要是金属骨架间的热传导，金属骨架和流体之间对流传热以及金属骨架的热辐射，即泡沫金属的换热是金属骨架的热传导、金属骨架和流体对流换热以及金属骨架热辐射的综合结果。因此国内外学者引入一个有效导热系数λ*来描述多孔泡沫金属中综合传热，同时发现，要计算出泡沫金属的有效导热系数λ*必须知道知道属骨架和流体对流换热系数。

Boomsma［15～18］等人将多孔泡沫金属简理想化为十四面体单胞模型，分别计算空气和水流过开孔泡沫铝的十四面体模型的有效导热系数，并根据计算结果推导出了泡沫金属有效导热系数的计算方程式。结果表明：金属骨架的导热系数对多孔泡沫金属的有效导热系数有很大的影响，而流体的种类、流体的流速对多孔泡沫金属的有效导热系数几乎没有影响。

Druma［17～21］等人将多孔泡沫石墨结构简化成正方体单胞模型（如图2），用数值分析和有限元法模拟两种方法分别计算了泡沫石墨的有效导热系数。计算结果表明：当多孔泡沫石墨的孔隙率较低时，数值分析的结果和有限元模拟的结果一致，而当孔隙率很高时，这两种方法的计算结果相差很大。

K.C.Leong［22］等人在Druma的基础上，将多孔泡沫石墨立方体单胞模型切去八个顶角，简化成缺角正方体模型，并根据泡沫石墨的平均孔径来调节模型的单胞模型的几何尺寸，从而推导出泡沫石墨的有效热导率的计算方程式。研究计算方程式发现，孔隙率一定时，泡沫石墨的有效热导系数随着孔径的增大而减小，当孔径一定时，泡沫石墨的有效热导系数也随着孔隙率的增大而减小，但是有效导热系数和通过泡沫石墨孔洞流体的导热系数无关。

进入21世纪后，R.Singh等人提出一个全新的分析理论：热电比拟理论，并在前人研究的基础上，引入两个几何特征：相关因子和角度。在此基础上用数值分析的方法推导出高孔隙率的泡沫金属以及泡沫石墨的有效导热系数的计算方程式，并给出不同金属的相关因子的值。

Jagjiwanram等人认为多孔泡沫金属由金属骨架和流体两部分组成，因此可以将金属骨架和流体两部分分开计算求解，结果发现当金属骨架的排列和流体流动方向垂直时，泡沫金属的有效导热系数最小；而当金属骨架的排列和流体流动方向一致时，泡沫金属的有效导热系数最大，因此，一般来说，多孔泡沫金属的有效导热系数介于两者之间，它的大小是由金属骨架排列方向和流体流动方向的夹角决定的。

Zhao，C.Y.等人认为泡沫金属的有效导热系数和周围温度的关系较大。通过测试不同孔隙率、孔密度的泡沫金属在不同温度下的有效热导率，结果发现：当环境温度很高时，泡沫金属的有效导热系数随温度的增加而显著增大。

Phaviknmar［26］等人认为：在空气的自然对流情况下，高孔隙率的开孔泡沫金属的有效导热系数并不受热弥散作用的影响，但是在强制对流情况下，如果忽略热弥散作用，高孔隙率的泡沫金属的有效导热系数将会产生很大的误差。

北京科技大学刘晓丹［22］等人将高孔隙率的泡沫金属简化成均匀化的矩形通道（图3）模型，并将单个的泡沫金属孔洞简化成六棱柱泡沫单胞，在此六棱柱泡沫单胞的基础上运用R.Singh的热电比拟理论，得出高孔隙率泡沫金属的有效导热系数计算方程式。而史语凤［28］等人在此基础上，采用数值模拟的方法，用CFD流体模拟软件将通道网格划分，来计算多孔泡沫金属的有效导热系数。

图2 简单立方体模型

图3　六棱柱泡沫单胞和矩形通道

3　泡沫金属散热器的研究现状

2000年韩国研究人员Kim［10］等人将泡沫铝加工成翅片散热器，同传统的铝制翅片散热器对比，结果表发现泡沫铝制散热器的散热能力比传统的散热器增强了很多。西安交通大学的屈治国［29］等人用开孔泡沫金属铜代替实体铜片，研究泡沫金属散热器的散热情况。实验系统有三部分组成：加热系统、测试系统和数据采集系统（如图4所示）。研究发现得出：（1）多孔泡沫金属的结构特性，比如孔隙率、孔密度对换热影响很大。（2）在自然对流情况下，泡沫铜散热器的效果远远强于普通的金属铜，压降热阻减少了20%以上。为了解决计算机CPU芯片的温度过高的问题，太原科技大学［3］的研究人员尝试对CPU芯片上的散热器进行优化设计，通过用几何构造相同的泡沫镁散热器代替传统翅片散热器，接触面为实体的镁合金平面，顶部为多孔泡沫镁合金的散热器结构对散热效果提升比较明显。

图4　测量泡沫金属换热性能的实验装置原理图

张国立等人研究了在强制对流状况下，开孔泡沫金属的散热情况。实验结果显示，当泡沫金属铜的孔隙率为90%，孔密度为20PPI时，能显著提高散热器的散热性能。其中填充泡沫金属铜的矩形通道的温度比光管低了3～4倍。Boomsma［15］等人选用水作为流体，选用一定程度压缩后的泡沫金属铝作为散热器和工业上一般的散热器进行对比研究。研究结果显示：在相同的流体流速下，压缩后的泡沫金属铝散热器比一般工业散热器好的多，且热阻仅是一般工业散热器好的1/2到1/3之间。同时，Boomsma以物体总是朝着表面能最小的方向发展为原理，建立了多孔泡沫金属的孔洞拓扑结构，并对这种几何模型进行数值模拟，结果发现：模拟结果中流体流过拓扑结构产生的压降要比实验数据小的多。Pradeep［29］等人选用不同高度泡沫铝、泡沫铜作为散热器，研究其在垂直通道中的对流换热性能。结果发现：孔隙率为87%的泡沫铝和孔隙率为97%的泡沫铜在相同空气流速下，对流换热强度相当。

4展望

泡沫金属因其较大的比表面积、金属骨架部分较大的热导率，使其能够将经过其通道的热量很快散失掉，因而有可能称为制备新型散热器的核心材料，解决日益严重的电子产品的散热问题，推动电子产品的快速发展。

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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

谭礼明（1988-），男，本科生。

王芳（1972-），女，博士，副教授，硕导。

山西省高等学校大学生创新创业训练项目（2015276）