王超星，王 芳，王录才

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

金属泡沫是20世纪80年代后期随着多样化需求的材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新型多功能材料。按孔的结构可分为开孔和闭孔两种。开孔金属泡沫内部是三维的连通结构，孔是不封闭的，如图1所示为太原科技大学制备的通孔泡沫镁合金试样。由于在开孔金属泡沫中，金属骨架具有高的导热系数，孔洞相互连通，又使其具有大的比表面积和良好的流通性能，使得流体从通孔多孔材料中通过时有着极大的热交换面积，而且金属材料良好的导热性能使得温度能更均匀地分布，在强迫对流条件下流体在多孔金属内产生的复杂紊流运动都促进了热量的交换，因此通孔多孔金属是一种优良的热交换新型材料，在工程中具有很广阔的应用前景。论文对泡沫金属传热及散热性能的研究进展进行了总结和探讨。

1 泡沫金属传热性能表征及分析方法

开孔泡沫金属的传热模式主要有：金属壁的热传导和孔内气体的热传导、孔内气体的对流换热、金属壁的热辐射。如何评价金属泡沫的传热性能，进而更好的为工程应用服务，是一个重要的课题。目前表征开孔金属泡沫的传热性能的方法主要有基于多孔介质模型思想和基于翅片方法（fin appraoch）思想两种[1]。

图1 通孔泡沫镁合金试样

1.1 多孔介质模型思想

传统的多孔介质模型通常是用来描述孔隙率在30%～40%的多孔介质的传热特性及流动规律。而多孔介质模型把流体在泡沫中流动假设成一个连续体，通过Darcy方程和局部的热平衡方程求解，由于多孔金属的高孔隙率导致流动非线性效果明显增强甚至起主导作用，用来描述传统低孔隙率的多孔介质的Darcy方程已经不能适用高孔隙率的多孔金属[2]。

赵长颖[3]等人对金属泡沫中这一高孔隙率的非Darcy流动的流体动力特性进行了理论及试验分析，确定了动量方程中非线性项在不同雷诺数下的作用，并基于金属泡沫微观结构提出了非线性惯性力项的表达式。对12种钢合金及铜合金金属泡沫中的空气冷却对流换热特性进行了试验及理论研究，测定了对流传热随雷诺数及金属泡沫微观结构孔隙率、孔隙大小等参数的变化规律，并建立了基于金属泡沫微观结构的单相对流传热模型，取得了不错的计算精度。

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，用于微通道散热器的热性能表征。卢天健在1998年将该思想引入以开孔金属泡沫金属为芯层的夹层结构换热器的对流换热性能表征上，获得了换热器的整体换热系数和压力降的表达式。翅片分析方法的提出克服了当时多孔介质模型只在低Re数有效的缺陷，但翅片分析方法在分析时对模型进行了过分简化，也导致计算结果大大高于实验数值。可以说翅片方法的思想已经成功应用于各种多孔金属材料。它的优点是能够详细描述微结构，较为准确的预测换热性能，便于材料设计。缺点是不易拓展，很难将该方法拓展到非均匀多孔材料的性能分析上[5]。

2 泡沫金属传热性能的影响因素

图2 泡沫铝导热系数测量装置示意图

影响泡沫金属的传热性能的主要因素有泡沫金属的孔隙率和孔径。宋锦柱[6]等根据多孔铝导热原理，利用如图2所示的泡沫铝导热系数测量装置，测定了一定尺寸、孔径孔隙率泡沫铝试样导热系数。研究发现：孔隙率是影响多孔铝导热性能的主要结构因素。随着孔隙率的增大，多孔铝的导热系数下降；孔径也对多孔铝的导热系数有着不容忽视的影响，在孔隙率不变的条件下，孔径增大导热系数增大。屈治国，徐治国[7]等对水平面上通孔铜金属泡沫中的空气自然对流进行了实验研究，研究了金属泡沫孔隙率和孔密度对总传热热阻的影响。研究结果表明：与光表面相比，金属多孔表面有效地强化了自然对流散热，使总热阻至少减小20%左右，如图3所示。金属泡沫传热面积和自然对流流动阻力均受孔隙率和孔密度的影响。如图4和图5，在较小的孔隙率（ε=0.9）下，对所研究的两个孔密度（400m-1和 1600m-1），格拉晓夫数 Gr存在一个转折点，当Gr小于该转折点值时，孔密度较大的金属泡沫自然对流热阻较小，而当Gr大于该转折点值时，孔密度较小的金属泡沫热阻较小。在较大孔隙率（ε=0.95）及实验所测的Gr范围内，孔密度较大的金属泡沫热阻一直较小。在所研究的两个典型孔密度（800m-1和1600m-1）下，孔隙率较小的金属泡沫热阻较小，但是在1600m-1时，其热阻减小量要明显大800m-1时对应的减小量。

图3 相同尺寸光表面和铜泡沫的热阻比较

3 泡沫金属散热器的研究探索

由于在开孔金属泡沫中，金属骨架具有高的导热系数，孔洞相互连通，又使其具有大的比表面积和良好的流通性能，使得流体从通孔多孔材料中通过时有着极大的热交换面积，而且金属材料良好的导热性能使得温度能更均匀地分布，在强迫对流条件下流体在多孔金属内产生的复杂紊流运动都促进了热量的交换，泡沫金属内部孔隙结构是复杂的三维立体结构。气体在其中流动的过程中会产生非线性效果，湍流程度加强，使热量交换更加强烈。所以泡沫金属有望成为优良的热交换材料。开孔泡沫金属的优良散热能力必须配以流体介质强迫穿过内部孔隙结构才能够体现。根据这一原理，目前已经有泡沫金属作为散热部件得到了应用，而且效果明显优于传统散热部件。

图4 不同孔密度的铜泡沫的换热特性比较

图5 不同孔隙率的铜泡沫的换热特性比较

韩国Kim[8]等研究人员将传统翅片式铝制散热器与采用泡沫铝制备的翅片式散热器进行对比实验。结果表明后置的散热能力比传统散热器增强了很多。原因在于同样的产品样式，泡沫铝材料加工出的散热器换热面积远远超越了实体铝散热器。日本Lee[9]等研究人员利用泡沫铝材料制备出散热器为电子元件进行冷却效果测试。冷却能力高达100W/cm2。

为解决CPU芯片温度过高的问题，太原科技大学[10]尝试采用构形理论和拓扑优化方法对CPU芯片上高导热材料的铺设形式及结构进行优化设计，以期能够更好地降低CPU芯片温度，减少高导热材料用量。测试了泡沫镁合金的导热系数，其值0.487～2.186（W·m-1·℃-1）反映出泡沫镁合金在无外加条件下，可视为阻热材料。分析了泡沫镁合金的散热作用原理后用其制作出不同孔径、不同孔隙率和不同结构样式的多件泡沫镁合金散热器，并且测试对比了每件样品，得到其在使用中的温度随时间变化曲线。经分析得到以下结论：泡沫镁合金的散热性能随着孔径的增加而提高；接触面为实体镁合金，上部为多孔泡沫镁合金，这样的复合结构对散热效果提升明显。另外，镁合金具有良好的阻尼减震性能，应用于CPU散热片上将得到良好的减震效果。

4 结论

泡沫金属的多孔结构决定了泡沫金属的传热性质，研究泡沫金属的传热性能，把金属泡沫简化为周期性微结构，在考虑流体温度变化的同时，对微结构中的传热进行分析，得到换热器整体换热性能与微结构尺寸之间的关系。由于泡沫金属有巨大的比表面积，气体在其中流动的过程中会产生非线性效果，湍流程度加强，使热量交换更加强烈，泡沫金属用在CPU散热器上有望取得不错的效果。但目前还大多集中于模拟方面，关于泡沫金属的传热的研究是一个交叉、综合多学科多领域的命题，需要多种知识的集成，进行全面的综合的研究探索，就会更广泛的应用。

［1］朱贺.金属泡沫传热性能分析与散热结构优化设计［D］.大连：大连理工大学，2009：5.

［2］卢天健，何德坪，陈常青等.超轻多孔金属材料的多功能特性及应用［J］.力学进展，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］张永存.多孔材料传热特性分析与散热结构优化设计［D］.大连：大连理工大学，2008：11.

［6］宋锦柱，何思渊.多孔泡沫铝的传热性能［J］.江苏冶金，2008，36（2）：29-30.

［7］屈治国，徐治国，陶文铨，等.通孔金属泡沫中的空气自然对流传热实验研究［J］.西安交通大学学报 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］徐梦欣.泡沫镁合金的制备与性能研究［D］.太原：太原科技大学，2009.