低溫金屬相變材料的相變溫控特性研究.pdf

1、相變溫控技術作為一種新興熱控技術因其具有性能可靠、重量輕、不耗能等優(yōu)點而受到人們的廣泛關注。相變材料是相變溫控技術的核心和基礎，但目前被大量使用的石蠟類和無機鹽類相變材料存在密度小、導熱性能差、熱穩(wěn)定性差等缺點，制約著相變材料在溫控領域的應用。相比較而言，金屬類材料具有密度大、導熱性能良好等特點，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。通過對兩種低熔點合金和兩種石蠟類相變材料的升溫和降溫實驗的溫度-時間曲線的分析，揭示了相變材料的相變潛熱、熱導率等對其相變特性影響；并以兩種低熔點合金為例對金屬類相變材料熱物理性的熱穩(wěn)定性進行了測試。實驗結果表明，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熱性能，可有效降低相變材料內部的溫度梯度；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域具有應用潛力。
　　(2)建立了低熔點合金的相變溫度預測模型（Prediction model of melting point，PMMP）及兩種相變潛熱預測模型（Prediction models of latent heat，PMLH）。使用這些預測模型對15種低熔點合金的相變溫度及相變潛熱進行了計算，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行了測量，最后將計算值與實驗值的進行對比分析。結果表明：PMMP可較準確地對低溫金屬材料的相變溫度進行預測，預測的準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行預測結果較PMLH2更加準確；PMLH2可以對二元合金的相變潛熱做出較準確預測，對于多元合金則隨著組元數(shù)目的增加準確性急劇降低。PMMP、PMLH1和PMLH2的建立為金屬相變材料的成分設計

5、提供了理論指導。
　　(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）兩種情況分別推導了全焓法模型。通過算例的計算結果表明：全焓法模型與等效熱容法和焓法在計算結果上等效，在計算時間上全焓法模型具有較高的計算效率；利用等溫相變全焓法模型替代相變半徑ε<1K非等溫相變問題可以

6、有效降低計算時間，計算結果與非等溫相變全焓法模型的計算結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，并進行實驗驗證。通過實驗結果驗證表明

7、：恒定熱載在升溫階段利用3D相變傳熱有限元模型計算所得結果與實驗結果有較好的一致性，計算誤差為±5K以內，利用2D相變傳熱有限元模型計算所得結果與實驗結果相差較大，最大誤差超過30K；恒定熱載的多任務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算結果優(yōu)于2D相變傳熱有限元模型的計算結果。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的設計提供理論指導。
　　(5)以一種航天載荷的溫控