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中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所與金屬所聯(lián)合研發(fā)出世界首款具有自適應(yīng)變形結(jié)構(gòu)的相變傳熱器件
材料新視野
2015年07月21日相變傳熱廣泛應(yīng)用于化工、制冷、能源利用、電力電子器件熱管理等領(lǐng)域，但其換熱性能受傳熱器件微細(xì)結(jié)構(gòu)和表面特性的重要影響。長(zhǎng)期以來(lái)，加工微細(xì)結(jié)構(gòu)或微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)（如肋、鰭片、槽道、多孔結(jié)構(gòu)、表面鍍膜、金屬絲網(wǎng)等）被認(rèn)為是一種非常有效的相變傳熱強(qiáng)化方法，根據(jù)特定的換熱條件，可以對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以發(fā)揮最佳換熱性能。但是，這些微細(xì)結(jié)構(gòu)加工完成后，其幾何結(jié)構(gòu)就固定下來(lái)，一旦換熱條件發(fā)生變化，換熱特性往往會(huì)產(chǎn)生大的波動(dòng)，進(jìn)而影響換熱系統(tǒng)的性能。因此，研發(fā)一種能夠根據(jù)換熱條件變化而產(chǎn)生自適應(yīng)變形的換熱結(jié)構(gòu)，是優(yōu)化換熱系統(tǒng)整體性能、提高穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵。由于普通材料的熱膨脹系數(shù)很小，很難滿足使微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生大尺度變形的要求。
中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所傳熱傳質(zhì)研究中心科研人員另辟蹊徑，聯(lián)合中科院金屬所姜海昌研究員采用形狀記憶合金研發(fā)出世界首款具有自適應(yīng)變形微細(xì)結(jié)構(gòu)的相變傳熱器件。記憶合金基于材料的熱彈性馬氏體(martensite)與母相奧氏體(austenite)之間的轉(zhuǎn)換而發(fā)生宏觀變形，從而在特定溫度條件下自發(fā)產(chǎn)生形狀記憶回復(fù)。形狀記憶合金產(chǎn)生的變形率大，重復(fù)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)上百萬(wàn)次的大尺度反復(fù)形變，并且發(fā)生變形的溫度可控，通過(guò)特定的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完全可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的換熱結(jié)構(gòu)的需求。目前，工業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出鈦鎳基合金、銅基合金、鐵基合金等眾多記憶合金材料。
兩所科研人員選取在高效換熱器中廣泛應(yīng)用的多孔表面換熱強(qiáng)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原理驗(yàn)證，在TiNi記憶合金材料上加工了具有開放通道、封閉多孔通道、及可變形多孔通道的表面結(jié)構(gòu)（圖1），對(duì)沸騰換熱進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)于具有微細(xì)多孔結(jié)構(gòu)的換熱表面，封閉通道有助于在較小過(guò)熱度下實(shí)現(xiàn)沸騰起沸，而開放通道利于大熱流密度下的汽液交換，從而具有較高的換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有可變形微結(jié)構(gòu)的表面，結(jié)合了封閉通道和開放通道兩者的優(yōu)點(diǎn)（圖2），在提高換熱系數(shù)和提高適應(yīng)熱負(fù)荷變動(dòng)能力方面具有很大的優(yōu)勢(shì)（其機(jī)理見圖3）。
除了上述多孔表面，利用形狀記憶合金，還可以加工各種各樣的可變形微細(xì)結(jié)構(gòu)，原則上可用于換熱器、電子器件熱沉、熱管、毛細(xì)泵環(huán)、多孔介質(zhì)及其他一些傳熱器件，既可提高換熱效果，也可根據(jù)某些需要進(jìn)行傳熱控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)研究成果已在應(yīng)用物理權(quán)威期刊 Applied Physics Letters 及 Proceedings of ASME 2015 International Mechanical Engineering Congress & Exposition 發(fā)表（T. Wang, Y.Y. Jiang, H.C. Jiang, C. Guo, C.H. Guo, D.W. Tang, L.J. Rong, Surface with recoverable mini-structures made of shape-memory alloys for adaptive-control of boiling heat transfer, Appl. Phys. Letts., 107(2), 023904, DOI:10.103/1.4926987, 2015.），并已申請(qǐng)發(fā)明專利5項(xiàng)，其中1項(xiàng)即將授權(quán)。
圖1 形狀記憶合金微結(jié)構(gòu)傳熱件
圖2 傳熱性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖3 可變形微細(xì)結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)化換熱機(jī)理