低溫金屬相變材料的相變溫控特性研究.pdf

1、相變溫控技術(shù)作為一種新興熱控技術(shù)因其具有性能可靠、重量輕、不耗能等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注。相變材料是相變溫控技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，但目前被大量使用的石蠟類和無機(jī)鹽類相變材料存在密度小、導(dǎo)熱性能差、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，制約著相變材料在溫控領(lǐng)域的應(yīng)用。相比較而言，金屬類材料具有密度大、導(dǎo)熱性能良好等特點(diǎn)，較為符合相變溫控的要求。本文以金屬相變材料為研究對象展開了關(guān)于金屬相變材料的相變溫控特性的研究。
　　本文完成的主要工作和取得的成果如下

2、：
　　(1)開展了低溫金屬相變材料的相變特性的研究。通過對兩種低熔點(diǎn)合金和兩種石蠟類相變材料的升溫和降溫實(shí)驗(yàn)的溫度-時(shí)間曲線的分析，揭示了相變材料的相變潛熱、熱導(dǎo)率等對其相變特性影響；并以兩種低熔點(diǎn)合金為例對金屬類相變材料熱物理性的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬類相變材料具有較高的單位體積相變潛熱，在應(yīng)用中可減少相變材料的使用體積；金屬類相變材料具有較好的導(dǎo)熱性能，可有效降低相變材料內(nèi)部的溫度梯度；金屬相變材料具有較好的

3、相變溫度和相變潛熱穩(wěn)定性。因此金屬相變材料在相變溫控領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
　　(2)建立了低熔點(diǎn)合金的相變溫度預(yù)測模型（Prediction model of melting point，PMMP）及兩種相變潛熱預(yù)測模型（Prediction models of latent heat，PMLH）。使用這些預(yù)測模型對15種低熔點(diǎn)合金的相變溫度及相變潛熱進(jìn)行了計(jì)算，并使用差示掃描量熱儀（Differential Scanning Ca

4、lorimeter，DSC）對這些合金的相變溫度和相變潛熱進(jìn)行了測量，最后將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：PMMP可較準(zhǔn)確地對低溫金屬材料的相變溫度進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測的準(zhǔn)確性隨著合金組元的數(shù)目逐漸降低；PMLH1對低溫金屬相變材料的相變潛熱進(jìn)行預(yù)測結(jié)果較PMLH2更加準(zhǔn)確；PMLH2可以對二元合金的相變潛熱做出較準(zhǔn)確預(yù)測，對于多元合金則隨著組元數(shù)目的增加準(zhǔn)確性急劇降低。PMMP、PMLH1和PMLH2的建立為金屬相變材料的成分設(shè)計(jì)

5、提供了理論指導(dǎo)。
　　(3)建立了基于全焓法的相變傳熱數(shù)值模型。通過具體算例分析比較了等效熱容法和焓法兩種常用相變傳熱數(shù)值模型在求解相變相變傳熱問題上的有效性，基于這兩種數(shù)值模型并針對相變半徑ε=0（等溫相變）和ε≠0（非等溫相變）兩種情況分別推導(dǎo)了全焓法模型。通過算例的計(jì)算結(jié)果表明：全焓法模型與等效熱容法和焓法在計(jì)算結(jié)果上等效，在計(jì)算時(shí)間上全焓法模型具有較高的計(jì)算效率；利用等溫相變?nèi)史Ｐ吞娲嘧儼霃溅?1K非等溫相變問題可以

6、有效降低計(jì)算時(shí)間，計(jì)算結(jié)果與非等溫相變?nèi)史Ｐ偷挠?jì)算結(jié)果具有較好的一致性。
　　(4)建立了基于全焓法的相變溫控組件（Phase Change Thermal Control Component，PCTCC）相變傳熱有限元模型。通過建立的2D和3D相變傳熱有限元模型分別模擬了不同功率的恒定熱載、不同功率的多任務(wù)周期恒定熱載和在不同“on-off”模式的周期熱載的工況下PCTCC的相變溫控過程，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證表明

7、：恒定熱載在升溫階段利用3D相變傳熱有限元模型計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，計(jì)算誤差為±5K以內(nèi)，利用2D相變傳熱有限元模型計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，最大誤差超過30K；恒定熱載的多任務(wù)周期以及周期熱載兩種工況，利用3D相變傳熱有限元模型的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于2D相變傳熱有限元模型的計(jì)算結(jié)果。利用基于全焓法的相變傳熱有限元模型可以模擬 PCTCC的溫控過程，可為 PCTCC的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
　　(5)以一種航天載荷的溫控