开孔泡沫金属散热性能实验研究

冯涛

摘 要：开孔泡沫金属材料密度小，质量轻，组成这种材料的金属基材有良好的导热性。因为这些特点的存在，这一材料的在轻量化、小型化电子产品制造领域当中的广泛得到了广泛应用。通过设计开孔泡沫金属专用测试工装，对各种基材的泡沫金属散热性能进行研究，得到不同开孔泡沫金属材料的散热性能，为开孔泡沫泡沫金属的应用提供重要依据。

关键词：机载电子设备;开孔泡沫金属;散热;换热系数

中图分类号：TG111.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）14-0089-02

1 概述

1.1 泡沫金属

在现實情况当中，我们依据泡沫金属的孔结构，把众多的泡沫金属材料大致分为两类，分别是闭孔泡沫金属材料以及开孔金属泡沫材料。

闭孔金属泡沫材料内部的孔洞都是被里面的金属骨架进行隔开的，从而使得每一个孔洞之间都是没有相互连通的，每一个孔洞都是独立存在的，这也就是说，在闭孔泡沫金属材料当中，每一个孔洞其实都是封闭的，所以我们将其称为闭孔泡沫金属材料。

相对于闭孔泡沫金属而言，开孔泡沫金属材料里面的每一个孔洞都是互相连通的，使得流体能够顺利从这些孔洞当中流过。也正是这些孔洞的存在，有效的增加了金属骨架和流体的换热面积，从而形成一种换热介质，因为开孔泡沫有着韧性高、重量小、强度高的特点，所以这种材料应用在航天设备以及各种汽车构件，甚至飞机的起落架中加以应用，此外，还广泛应用在各种设备的散热器当中，从而有效解决这些设备的散热问题。本文主要对于开孔泡沫金属其散热性能进行研究。

1.2 开孔泡沫金属材料散热系统的研究

开孔泡沫金属材料，这种固体金属材料的组成结构和我们人体的细胞结构有着相似点的，正是由于这种组成结构的原因，开孔泡沫金属材料的大部分体积都是由孔隙体积组成的。在实际情况当中，这种材料的金属的体积占比一般都只有整体体积的5%～25%，这也就使得这种材料有着较轻的质量，有着比较不同于大多金属材料的性能以及有着非常优良的散热性能。

开孔泡沫材料，保留了形成它的金属基材一些物理性质有，如开孔泡沫材料的基础材料是不易燃的，所形成的这种泡沫材料也是不易燃的，这就是对于基础材料其物理性质的保留，此外还有抗腐蚀性能、导电性等，与原金属基材一致。

近年以来，很多的开孔泡沫金属材料的研究主要集中在其微通道结构的设计以及优化配置。当这种开孔泡沫金属材料处于强制对流或者是自然对流的环境当中时，通常利用其高孔隙率延伸表面，如散热翅片，带排气孔的针翅等。还有就是因为这种材料的表面积比较大，使得在很多的散热原件当中，多孔介质也是得到了非常广泛的应用。尤其要是高孔隙率的这种金属材料，其孔隙要是能够达到或者是超过零点九，那么，就能够使得这种材料的渗透性更加的高，并且其质量也会变的更加的轻。也正是因为这种材料具备这这些优点，因此，开孔泡沫材料有着非常广泛的发展前途。

2 开孔泡沫金属散热性能测试工装

对于开孔泡沫金属的测试工装其组成结构分为集风装置、测试工位和前后风道这几个部分组成。在集风装置里面，有着导流板的存在，这一存在的目的就在于使得流体能够在流到内进行均匀的流动，而前后风道的作用就是让对流能够充分的发展，而风压以及流速测试点的设置位置应当在测试工位的出入口处。

2.1 测试的系统

图1是对开孔泡沫金属材料测试的系统图，这一测试系统是由数据采集器、开孔泡沫金属样件、模拟热源、斜管压力计、直流电源、供风设备、PC机等这些部分组成，在进行对开孔泡沫金属材料的测试时，要求要在实验室当中来进行，而供风设备就能够为这一金属材料在进行检测的时候，提供足够的冷却空气，在进行对于模拟热源进行供电的时候，要求要供应直流稳压的电流，在依据现行机载设备其风量的相关要求，来进行对系统的供风量加以合理的调整，在利用风速计，来进行对于供风量的测量，采用斜管压力计测量系统压降值，使用FLUKE数据采集系统测量泡沫金属测试装置各处温度值，在PC机上读取模拟热源温度值。

2.2 测试的原理

通过利用卡尺，来进行对加热底面的长度以及宽度的测量，我们分别用X1和X2来表示，从而进行对底部换热面积的计算我们用来A表示。在通过利用电源的电流值以及电压值，分别用I和U表示，来进行对相关散热功效的计算，我们用Q来表示。在进行热电偶的安装的时候，应当紧贴着模拟热源的表面，从而进行对模拟热源的温度进行测量，我们用T1～6来表示。从而来进行对模拟热源其平均温度的计算，我们用Tp来表示。而对流介质其出入口的温度我们是用热电偶在原理样件的出入口处测得的，我们用Tc和Tr来进行表示。对于壁面的温度测量，同样是利用热电偶来完成的，热电偶的设置位置是在加热面空气对流的侧壁面，我们用Tw1～Tw6来进行表示，再利用测得的数据来计算出平均温度Tw。在进行测试的时候，首先打开电源，在进行对电源的输出电压进行一定的调整，时期达到预定值。而模拟热源其稳定状态我们就要依据热电偶的温度在半个小时的变化，当变化小于零点五摄氏度的时候，我们就可以认为模拟热源是处于稳定的状态。在进行测试的时候，要进行对于上述各种参数的及时准确的记录，从而进行下面的计算。

根据公式计算换热系数：

h=Q/A/（Tw-Tf）

式中，Q为散热功耗，A为底部加热面面积;Tw为加热面的平均壁面温度;Tf为流体平均温度，Tf等于流体入口温度和流体出口温度的平均值。

3 相关分析

依据上述的原理和方法，我们进行了对于传统铝制优化肋片散热样件、95%20PPi泡沫铜散热样件、95%10PPi泡沫铜散热样件、95%20PPi泡沫镍散热样件的测试，在进行下面的研究分析。

3.1 对不同散热材料热源温度的比照分析

在进行测试中，环境温度是保持在二十六摄氏度进行的，总功耗为55.8W，当处在强迫冷风条件下时，我们对传统铝制优化肋片散热样件、95%10PPi泡沫铜散热样件、95%20PPi泡沫镍散热样件进行了测试，并进行对它们的模拟热源的温度进行了测量以及对于测量结果进行了比照。我们就能够清楚的看出，传统铝制优化肋片散热样件和95%10PPi泡沫铜散热样件相互比较，前者的模拟热源的温度，要明显高于后者的，高出的具體数据为6.6℃。而传统铝制优化肋片散热样件在和95%20PPi泡沫镍散热样件进行相互比较，我们发现这两种材料的模拟热源的温度没有太大的差距存在。这也就说明，传统铝制优化肋片散热样件以及95%20PPi泡沫镍散热样件，这两种材料的散热性能和95%10PPi泡沫铜散热样件相比较，后者的散热性能，是要远比前两种材料的散热性能要优秀的。虽然20PPi泡沫镍其孔密度是10PPi泡沫铜孔密度的一倍之多，因此，前者的表面积也就相应的更大一些，但是在换热效果上，确是恰恰相反，95%10PPi泡沫铜散热样件的换热效果，却反而要比前者好一些，导致这种情况出现的原因就在于金属铜的导热率要远远的小于金属镍的导热率，他们的导热率分别为385W/m/K和59W/m/K，因此，我们就可以知道，形成开孔金属泡沫材料的基础材料的导热率，对于开孔金属材料的散热效果有着非常巨大的影响。

3.2 95%20PPi泡沫铜散热样件换热系数分析

当95%20PPi泡沫铜散热样件处在不一样的功耗情况下，其换热系数也是随着雷诺数进行不断的变化，我们依据相关的数据，制作出变化曲线图，当流速在进行增加之后，相应的对流换热程度也是随之有所增强，95%20PPi开孔泡沫铜当处在低雷诺数的范围当中时，会有着较高的换热系数，因为在开孔泡沫金属的内部，其金属骨架，会对于流体有着一定的扰流作用，从而就会对热边界层进行破坏，从而导致流体湍流程度的增加，最终使得换热效果有着一定程度的增强。

4 研究结果

通过对95%10PPi泡沫铜散热样件、传统铝制优化肋片散热样件、95%20PPi泡沫镍散热样件、95%20PPi泡沫铜散热样件的实验测试，得到以下研究结果：

（1）095%10PPi泡沫铜散热性能优于传统铝制优化肋片结构，在增强机载电子模块壳体散热性能方面有应用前景。（2）开孔泡沫镍由于基材导热率较低，与传统铝制优化肋片结构散热性能相比无明显优势。（3）开孔泡沫金属的基材导热率对开孔泡沫金属散热效果影响明显，作为散热材料时，应优先选择基材导热率高的开孔泡沫金属。（4）开孔泡沫金属换热系数随雷诺数Re增加而增加，在低雷诺数Re范围内有较高的换热系数，孔内流体湍流程度的增加，增强了换热效果。

5 结语

在目前，人们对于电子产品的要求也是越来越高，各种功能强大的电子产品也是越来越多，但是，因为这种产品在进行工作运行的时候，往往会有着大量的热产生，而产生的热量，会对于电子产品的性能有着很大的影响，但是通过开孔泡沫金属材料的应用，能够有效的解决这一问题，为电子产品的发展提供有力的帮助。

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