王超星，王 芳，王錄才

（太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

金屬泡沫是20世紀80年代后期隨著多樣化需求的材料制備以及機械加工技術的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一類新型多功能材料。按孔的結構可分為開孔和閉孔兩種。開孔金屬泡沫內部是三維的連通結構，孔是不封閉的，如圖1所示為太原科技大學制備的通孔泡沫鎂合金試樣。由于在開孔金屬泡沫中，金屬骨架具有高的導熱系數，孔洞相互連通，又使其具有大的比表面積和良好的流通性能，使得流體從通孔多孔材料中通過時有著極大的熱交換面積，而且金屬材料良好的導熱性能使得溫度能更均勻地分布，在強迫對流條件下流體在多孔金屬內產生的復雜紊流運動都促進了熱量的交換，因此通孔多孔金屬是一種優(yōu)良的熱交換新型材料，在工程中具有很廣闊的應用前景。論文對泡沫金屬傳熱及散熱性能的研究進展進行了總結和探討。

1 泡沫金屬傳熱性能表征及分析方法

開孔泡沫金屬的傳熱模式主要有：金屬壁的熱傳導和孔內氣體的熱傳導、孔內氣體的對流換熱、金屬壁的熱輻射。如何評價金屬泡沫的傳熱性能，進而更好的為工程應用服務，是一個重要的課題。目前表征開孔金屬泡沫的傳熱性能的方法主要有基于多孔介質模型思想和基于翅片方法（fin appraoch）思想兩種[1]。

圖1 通孔泡沫鎂合金試樣

1.1 多孔介質模型思想

傳統(tǒng)的多孔介質模型通常是用來描述孔隙率在30%～40%的多孔介質的傳熱特性及流動規(guī)律。而多孔介質模型把流體在泡沫中流動假設成一個連續(xù)體，通過Darcy方程和局部的熱平衡方程求解，由于多孔金屬的高孔隙率導致流動非線性效果明顯增強甚至起主導作用，用來描述傳統(tǒng)低孔隙率的多孔介質的Darcy方程已經不能適用高孔隙率的多孔金屬[2]。

趙長穎[3]等人對金屬泡沫中這一高孔隙率的非Darcy流動的流體動力特性進行了理論及試驗分析，確定了動量方程中非線性項在不同雷諾數下的作用，并基于金屬泡沫微觀結構提出了非線性慣性力項的表達式。對12種鋼合金及銅合金金屬泡沫中的空氣冷卻對流換熱特性進行了試驗及理論研究，測定了對流傳熱隨雷諾數及金屬泡沫微觀結構孔隙率、孔隙大小等參數的變化規(guī)律，并建立了基于金屬泡沫微觀結構的單相對流傳熱模型，取得了不錯的計算精度。

1.2 翅片分析模型

翅片方法（fin appraoeh）最早在1981年由Tuchman和Pease[4]提出，用于微通道散熱器的熱性能表征。盧天健在1998年將該思想引入以開孔金屬泡沫金屬為芯層的夾層結構換熱器的對流換熱性能表征上，獲得了換熱器的整體換熱系數和壓力降的表達式。翅片分析方法的提出克服了當時多孔介質模型只在低Re數有效的缺陷，但翅片分析方法在分析時對模型進行了過分簡化，也導致計算結果大大高于實驗數值。可以說翅片方法的思想已經成功應用于各種多孔金屬材料。它的優(yōu)點是能夠詳細描述微結構，較為準確的預測換熱性能，便于材料設計。缺點是不易拓展，很難將該方法拓展到非均勻多孔材料的性能分析上[5]。

2 泡沫金屬傳熱性能的影響因素

圖2 泡沫鋁導熱系數測量裝置示意圖

影響泡沫金屬的傳熱性能的主要因素有泡沫金屬的孔隙率和孔徑。宋錦柱[6]等根據多孔鋁導熱原理，利用如圖2所示的泡沫鋁導熱系數測量裝置，測定了一定尺寸、孔徑孔隙率泡沫鋁試樣導熱系數。研究發(fā)現(xiàn)：孔隙率是影響多孔鋁導熱性能的主要結構因素。隨著孔隙率的增大，多孔鋁的導熱系數下降；孔徑也對多孔鋁的導熱系數有著不容忽視的影響，在孔隙率不變的條件下，孔徑增大導熱系數增大。屈治國，徐治國[7]等對水平面上通孔銅金屬泡沫中的空氣自然對流進行了實驗研究，研究了金屬泡沫孔隙率和孔密度對總傳熱熱阻的影響。研究結果表明：與光表面相比，金屬多孔表面有效地強化了自然對流散熱，使總熱阻至少減小20%左右，如圖3所示。金屬泡沫傳熱面積和自然對流流動阻力均受孔隙率和孔密度的影響。如圖4和圖5，在較小的孔隙率（ε=0.9）下，對所研究的兩個孔密度（400m-1和 1600m-1），格拉曉夫數 Gr存在一個轉折點，當Gr小于該轉折點值時，孔密度較大的金屬泡沫自然對流熱阻較小，而當Gr大于該轉折點值時，孔密度較小的金屬泡沫熱阻較小。在較大孔隙率（ε=0.95）及實驗所測的Gr范圍內，孔密度較大的金屬泡沫熱阻一直較小。在所研究的兩個典型孔密度（800m-1和1600m-1）下，孔隙率較小的金屬泡沫熱阻較小，但是在1600m-1時，其熱阻減小量要明顯大800m-1時對應的減小量。

圖3 相同尺寸光表面和銅泡沫的熱阻比較

3 泡沫金屬散熱器的研究探索

由于在開孔金屬泡沫中，金屬骨架具有高的導熱系數，孔洞相互連通，又使其具有大的比表面積和良好的流通性能，使得流體從通孔多孔材料中通過時有著極大的熱交換面積，而且金屬材料良好的導熱性能使得溫度能更均勻地分布，在強迫對流條件下流體在多孔金屬內產生的復雜紊流運動都促進了熱量的交換，泡沫金屬內部孔隙結構是復雜的三維立體結構。氣體在其中流動的過程中會產生非線性效果，湍流程度加強，使熱量交換更加強烈。所以泡沫金屬有望成為優(yōu)良的熱交換材料。開孔泡沫金屬的優(yōu)良散熱能力必須配以流體介質強迫穿過內部孔隙結構才能夠體現(xiàn)。根據這一原理，目前已經有泡沫金屬作為散熱部件得到了應用，而且效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)散熱部件。

圖4 不同孔密度的銅泡沫的換熱特性比較

圖5 不同孔隙率的銅泡沫的換熱特性比較

韓國Kim[8]等研究人員將傳統(tǒng)翅片式鋁制散熱器與采用泡沫鋁制備的翅片式散熱器進行對比實驗。結果表明后置的散熱能力比傳統(tǒng)散熱器增強了很多。原因在于同樣的產品樣式，泡沫鋁材料加工出的散熱器換熱面積遠遠超越了實體鋁散熱器。日本Lee[9]等研究人員利用泡沫鋁材料制備出散熱器為電子元件進行冷卻效果測試。冷卻能力高達100W/cm2。

為解決CPU芯片溫度過高的問題，太原科技大學[10]嘗試采用構形理論和拓撲優(yōu)化方法對CPU芯片上高導熱材料的鋪設形式及結構進行優(yōu)化設計，以期能夠更好地降低CPU芯片溫度，減少高導熱材料用量。測試了泡沫鎂合金的導熱系數，其值0.487～2.186（W·m-1·℃-1）反映出泡沫鎂合金在無外加條件下，可視為阻熱材料。分析了泡沫鎂合金的散熱作用原理后用其制作出不同孔徑、不同孔隙率和不同結構樣式的多件泡沫鎂合金散熱器，并且測試對比了每件樣品，得到其在使用中的溫度隨時間變化曲線。經分析得到以下結論：泡沫鎂合金的散熱性能隨著孔徑的增加而提高；接觸面為實體鎂合金，上部為多孔泡沫鎂合金，這樣的復合結構對散熱效果提升明顯。另外，鎂合金具有良好的阻尼減震性能，應用于CPU散熱片上將得到良好的減震效果。

4 結論

泡沫金屬的多孔結構決定了泡沫金屬的傳熱性質，研究泡沫金屬的傳熱性能，把金屬泡沫簡化為周期性微結構，在考慮流體溫度變化的同時，對微結構中的傳熱進行分析，得到換熱器整體換熱性能與微結構尺寸之間的關系。由于泡沫金屬有巨大的比表面積，氣體在其中流動的過程中會產生非線性效果，湍流程度加強，使熱量交換更加強烈，泡沫金屬用在CPU散熱器上有望取得不錯的效果。但目前還大多集中于模擬方面，關于泡沫金屬的傳熱的研究是一個交叉、綜合多學科多領域的命題，需要多種知識的集成，進行全面的綜合的研究探索，就會更廣泛的應用。

［1］朱賀.金屬泡沫傳熱性能分析與散熱結構優(yōu)化設計［D］.大連：大連理工大學，2009：5.

［2］盧天健，何德坪，陳常青等.超輕多孔金屬材料的多功能特性及應用［J］.力學進展，2006，36：517-535.

［3］C.Y.Zhao，T.Kim，T.J.Lu，and H.P.Hodson.Thermal transport in high porosity cellular metal foams［J］.JOURNAL OF THERMOPHYSICS AND HEAT TRANSFER V01.18，No.3，July-September 2004.

［4］TuckermanD B，R.F.W.Pease.High-PerformanceHeat Sinking for VLSI IEEE electron device letters［J］，1981，EDL-2（5）：126-129.

［5］張永存.多孔材料傳熱特性分析與散熱結構優(yōu)化設計［D］.大連：大連理工大學，2008：11.

［6］宋錦柱，何思淵.多孔泡沫鋁的傳熱性能［J］.江蘇冶金，2008，36（2）：29-30.

［7］屈治國，徐治國，陶文銓，等.通孔金屬泡沫中的空氣自然對流傳熱實驗研究［J］.西安交通大學學報 2009，（1）：1-4.

［8］KimS Y，Pack J W，Kang B H.Flowand heat transfer correlations for porous fm in a plate-fin heat exchanger［J］.Journal of Heat Transfer，2000，122：572-578.

［9］Lee YC，ZhangW，Xie H，Mahajan R L.Coolingofa chip package with 100W/cm2 chip［C］.NewYork：Proceedings of ASME International.

［10］徐夢欣.泡沫鎂合金的制備與性能研究［D］.太原：太原科技大學，2009.