高导热低泄漏复合相变材料的制备及其热控性能研究

摘 要：相变材料在发生相变时可以在维持自身温度不变的情况下吸收/释放大量热量。将相变材料应用于航天器热控系统中可以有效解决航空设备的温控问题，将设备温度维持在正常工作温度范围内。石蜡作为应用最为广泛的相变材料具有热导率低和相变过程容易泄漏的问题。为了满足航空设备热控需求，采用简单模压及真空浸渍的方法制备了一种高导热低泄漏的石蜡/膨胀石墨复合相变材料。当膨胀石墨泡沫密度为0.5g/cm3时，相变材料热导率为48.7W/m⋅K，比纯石蜡提高了约220倍；其在60°C加热24h的泄漏率仅为0.6%，表现出较好的定型能力；对复合相变材料进行热控实验时，表现出良好的热控性能。

关键词：复合相变材料；热导率；泄漏率；热控性能

中图分类号：TB34" " " " " " "文献标识码：A" " " " " " "文章编号：1007 - 9734 （2024） 06 - 0066 - 05

0 引 言

人造卫星、飞船、飞机等航天器在轨运行时，由于运行轨道外热流变化较大，导致航天器内设备存在较大的热负荷波动；而且，随着航天器内设备逐渐向着微型化、高频化和集成化发展，航天器设备单位体积所产生的热量也急剧上升；此外，大多数航天设备具有周期性工作特点且工作温度范围较窄［1］，这些问题的存在都给航天器的热控设计带来了巨大的挑战。

相变材料在融化过程中可以在温度基本保持不变的前提下以潜热的形式吸收或释放大量的热量［2］，尤其适用于具有周期性工作特点的设备［3］。因此，将相变材料应用于航天器热管理体系中，不但可以解决航天器设备周期性工作时的热冲击问题，防止设备温度激增，还可以降低其温度波动，将设备温度维持在正常工作范围内。此外，采用相变材料进行热控时，不需要借助外部能源，结构简单紧凑，相对于传统风冷、液冷而言，可以在减少能源消耗的同时满足航天器设备轻量化的需求［4］。

相变热控技术在航天器热控领域的应用由来已久。早在1971年，美国的阿波罗15号飞船的信号处理器、驱动控制电路和月球通信转发单元就分别使用了三套相变材料储能温控组件［5］；我国嫦娥一号卫星上装载的CCD航空相机的热控组件也使用了相变材料［6］；此外，我国的空间技术研究院研制的两相流体回路系统中，使用相变材料来应对蒸发器集热座周期性工作时面临的热冲击问题［7］。

航天用相变材料以石蜡为主，石蜡具有相变焓值大（200kJ/kg ～ 300kJ/kg）、无过冷现象且廉价易得等优点，但存在两个不足：一是热导率极低，传热速率太慢，无法及时将设备的热量吸收，导致其热控性能较差；二是在相变过程中（固液转变）会发生泄漏，不仅降低其储热容量还会污染设备工作环境［8］。因此，为了提升石蜡在航天热控系统的控温性能，学者们做了一系列研究：Kim［9］等人针对航空航天器件上短时大功率的高耗热部件，提出了由热管和石蜡耦合的新型航天器热控组件。通过在石蜡中包埋热管，成功解决了石蜡热导率低、热响应速度慢的问题；A Abhat等［10］针对用于卫星热控制的相变材料温控装置进行了研究并以壁面温度和相变材料熔化时间为指标，对相变材料热控装置（无填料、填充铝翅片）的性能进行了分析。研究结果表明填充铝翅片可以有效地改善相变材料热控装置的储热效率，提高其对卫星的热控能力。在上述研究中，采用热管、翅片、铝盒等对石蜡进行强化传热和封装，虽然能提高石蜡的热导率，减少石蜡泄漏对周围环境的影响，但是这些结构的使用会增加相变热控体系的重量，对航天器轻量化结构设计会产生不利的影响。

近年来，为了同时解决石蜡热导率低、泄漏率差的问题，采用3D多孔炭材料（如3D石墨烯［11-12］、石墨泡沫［13］、三维生物质炭［14］、3D碳纳米管［15］、膨胀石墨［16］等）作为支撑结构吸附石蜡制备复合相变材料逐步受到科研人员的关注：多孔结构不仅能存储足够多的石蜡，赋予复合相变材料较高的储热容量，而且能利用微孔对石蜡较强的毛细吸附力，减少石蜡在相变过程中的泄漏；3D网络结构能在复合相变材料内部构筑导热网络通道，增强其传热能力。表1列举了一些近年来关于3D炭材料基相变复合材料的研究结果。

为了满足石蜡在航天热控中的应用需求，本文采用一种简单的模压及真空浸渍的方法制备了高导热低泄漏的石蜡/膨胀石墨复合相变材料，并对其相变温度、相变焓值、热导率及热控性能进行分析，为相变材料在航天热控领域的发展提供一定的理论和数据支持。

1 复合相变材料的制备及热性能

1.1 复合相变材料的制备

本论文通过模压及真空浸渍法来制备石蜡/膨胀石墨复合相变材料（CPCM），该方法工艺简单，重复性强，其制备工艺如图1所示。

首先，称取一定量的膨胀石墨（EG）蠕虫并将其压制成不同体积密度的EG泡沫（0.1g/cm3、0.3g/cm3和0.5g/cm3）。将所需石蜡（PW，40°C）置于真空烘箱中将其融化，之后将EG泡沫完全浸没在液相石蜡中，采用真空浸渍的方法，使液相石蜡浸渗到EG泡沫的孔隙中，待浸渗结束后，将EG泡沫取出，用吸油纸将表面多余的液相石蜡擦掉，待其温度降至室温，则得到PW/EG复合相变材料（CPCM1、CPCM2、CPCM3和CPCM4）。其中，CPCM1、CPCM2和CPCM3分别为0.5g/cm3，0.3g/cm3和0.1g/cm3的EG泡沫吸附石蜡所制得。

1.2 复合相变材料的热性能

1.2.1" 材料的相变温度和相变焓值

复合相变材料的相变温度和相变焓值通过德国Netzsch 200 F3 MAIA型差示扫描量热仪（DSC）来测试，测试结果如图2所示。表2总结了每个测试样品在熔化过程中的相变温度和相变潜热。从图2和表2中可以看出，在熔化过程中，所有复合相变材料的相变温度（Tm）都低于纯PW，且EG泡沫的体积密度越高，Tm越低。此外，从表2中可以看出CPCM1、CPCM2和CPCM3在熔化过程中的相变潜热值（ΔHm）分别为143.9J/g、183.5J/g和210.4J/g。其中PW的吸附率（A）可以通过以下公式计算：

[A=∆Hm-CPCM∆Hm-PW×100%]

其中ΔHm-CPCM和ΔHm-PW分别为复合相变材料和纯石蜡的相变潜热。经计算，CPCM1、CPCM2和CPCM3中PW的吸附率分别为54.9%、70.0%和80.2%。从计算结果可以发现，随着EG泡沫体积密度的增加，石蜡的吸附量明显减少。这是因为随着EG泡沫体积密度的增加，其孔隙（包括EG蠕虫自身的网格状孔隙以及由EG蠕虫相互搭接形成的孔隙）尺寸减小，导致石蜡吸附量也随之降低。

1.2.2" 材料的热导率

复合相变材料的储/放热速率是通过热导率来衡量的，热导率越大，储/放热速率就越高，其值是通过德国Netzsch LFA427 NanoflashTM型激光热导仪测得的。测试结果如表2所示，CPCM1、CPCM2和CPCM3的热导率分别为48.7W/m⋅K、21.4W/m⋅K和5.0W/m⋅K，与纯PW相比分别提高约220、97和23倍，说明EG的引入，在复合相变材料内部形成了导热网络通道，大幅度地提升了石蜡的传热能力，且EG泡沫体积密度越大，对石蜡导热率的提升越明显。

1.3" 复合相变材料的定型能力

复合相变材料的定型能力是通过泄漏率实验来表征的，测试方法如下：称取一定质量（M0）的相变材料，将其置于60°C的烘箱内加热一段时间后对其质量进行称量（M1），其定型能力可以通过这段时间内的石蜡泄漏率（Lr）来评价，且Lr值越小，复合相变材料的定型能力越强。

复合材料泄漏率实验的测试结果如图3所示，在加热之前，所有样品都是块状的。当加热12h后，纯PW已经完全融化，而CPCM1、CPCM2和CPCM3虽然都能维持原始形状，但PW的泄漏量却不同。经计算，纯PW、CPCM1、CPCM2和CPCM3在60℃下加热12h的泄漏率分别为100%、0.6%、1.3%和7.5%。实验结果表明，采用EG泡沫作为支撑结构制备复合相变材料，可以显著增强CPCMs的定型能力，减少石蜡在相变过程中的泄漏量。并且CPCMs对石蜡的定型能力随EG泡沫体积密度的增加而增强。这是因为随着EG泡沫的体积密度的增加，其内部孔隙尺寸相应减小，对石蜡的毛细吸附力增加，降低了石蜡在相变过程中的泄漏。

2 复合相变材料热控性能实验

2.1" 实验系统的构建

相变储能热控性能实验装置主要由模拟热源、直流电源、数据记录仪、热电偶、复合相变材料和底面绝热材料组成，其示意图和实物图如图4所示。其中，模拟热源选用硅胶加热片（图4c），内部电阻丝均匀排列，发热比较均匀，尺寸为（长×宽×高）：40 mm×40mm×2mm，相变材料选用CPCM1。实验过程中，采用K型热电偶和数据记录仪来测试和记录模拟热源与复合相变材料的温度，温度点的测试位置如图5所示。

2.2" 结果与讨论

在热源面积与散热面积一定的情况下，航空电子设备工作时的产热量和温升速率在很大程度上取决于其工作时的功率大小。为了更好地分析相变材料的热控性能，我们对其散热效率（η）进行分析，其值可以通过以下公式来计算：

[η=t1" t0 ]

其中，t1为添加散热装置时热源达到设定温度（70ºC）时所需的时间，而t0为未添加任何散热装置时热源达到70ºC时所需的时间。图6为模拟热源在不同功率下的温升曲线，从图中可以看出，当热源未添加任何散热组件，只靠自然冷却散热时，一旦对其输入加热功率，其温度便急剧上升，在极短的时间内（＜60s）便达到70ºC。而对于添加CPCM1作为散热组件的热源而言，其升温速率较未添加散热组件的热源明显下降，且在加热过程中，热源温度出现了一个明显的温度平台（图6a）。这是因为在加热过程中，CPCM1发生相变，以潜热的形式吸收了热源产生的大量热量，将热源温度维持在一个相对恒定的范围内。此外，随着加热功率的增加，热源温度和CPCM1内部的最大温差（ΔTMax=TB1-TT2）随之增加，CPCM1的散热效率却随之降低（图6b、表3）。这是因为，当加热功率相对较低时（8W），热导强化后的CPCM1凭借其较高的热导率可以将模拟热源产生的热量快速传递到整个CPCM1表面并吸收，CPCM1的有效利用率较高，散热效率也较高，其值为96.1。

当加热功率持续上升至较高水平（10W、12W和16W）时，热源温升速率太快，CPCM1因热导率不够高，扩热能力不足，无法迅速将热量传递到整个CPCM1表面，使得CPCM1内部温差增加，导致CPCM1中只有部分区域发生相变，不能完全发挥其储热效能，以潜热形式吸收的热量也相应减少，且加热功率越高，从热源传递出的热量和CPCM1中发生相变的区域就越少，对热源的热控能力也越低，散热效率也越低，在10W、12W和16W时的散热效率分别为42.3、18.5和15.3，比8W时的散热效率分别低了56%、80.7%和84.1%。

综上所述，复合相变材材料可以作为一种有效的散热方式应用于电子器件热管理体系。然而，加热功率对其热控性能的影响较大：随着加热功率的增加，CPCM的有效利用率降低，对热源的热控能力也随之减弱。

3 结 论

本文采用简单的模压及真空浸渍的方法制备了具有高导热低泄漏的石蜡/膨胀石墨复合相变材料，着重研究了该材料的相变温度、导热率及控温能力。研究发现：随着膨胀石墨泡沫体积密度的增加，复合相变材料的热导率由纯PW的0.22W/m·K增加至48.7W/m·K；相变温度则由纯PW的43.8°C降低至40.2°C；复合材料的控温实验表明，复合相变材料可以作为一种有效的散热方式应用于航空电子器件热管理体系。而且，随着加热功率的增加，复合相变材料的有效利用率降低，对热源的热控能力也随之减弱。

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责任编校：裴媛慧，陈 强

Preparation and Thermal Control Performance of High Thermal Conductivity and Low Leakage Composite Phase Change Materials

LIANG Yanjuan1，CAO Hongjiang2

（1.School of Aerospace Engineering，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China;

2.Beijing Qidian Robert Service Co. Itd.，Beijing 102600，China）

Abstract：Phase change material can absorb/release a lot of heat and it’s temperature can keep constant in the process of phase transitions.The application of phase change materials in spacecraft thermal control system can ensure the electronic components always working at proper temperature.Paraffin，as one of the most widely used phase change material，has the problems of low thermal conductivity and easy leakage during the phase transitions. In order to meet the requirements of spacecraft thermal control，a kind of paraffin/expanded graphite composite phase change material（CPCM） with high thermal conductivity and low leakage is prepared by simple molding and vacuum impregnation.When the density of expanded graphite foam is 0.5g/cm3，the thermal conductivity of the CPCM is 48.7W/m⋅K，which is about 220 times higher than that of pure PW.The leakage rate of the CPCM heated at 60℃ for 24 hours is only 0.6%， showing good shaping ability.When the thermal control experiment is carried out on the CPCM， it showes excellent thermal control performance.

Key words：composite phase change material；thermal conductivity；leakage rate；termal control properties