空间用高导热柔性石墨烯膜冷链性能研究.pdf
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1、宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期空间用高导热柔性石墨烯膜冷链性能研究周吉1 王振营1,2 吕玮东1 刘英军3 张彦虎4(1 北京空间机电研究所,北京 100094)(2 北华航天工业学院,廊坊 065000)(3 浙江大学高分子科学与工程学系,杭州 310063)(4 江苏大学机械工程学院,镇江 212013)文摘 超柔性高导热冷链研究在空间载荷的红外焦平面制冷、活动性高效传热和均温热管理领域具有重要的工程价值和战略意义。提出一种新型石墨烯膜冷链构型,并对其开展热力协同设计和性能试验研究。系统地探究了冷链长度、搭接长度、端头立柱尺寸及数量等对导热带热传递的影响,同时验证了冷链长度
2、、厚度和宽度分别对其振动传递的影响。研究结果表明:焊料填充对于冷链热导率的提升有着显著的影响。增加搭接长度、端头立柱数量和直径均能有效提高冷链热导率,而减小厚度、增加宽度和宽厚比均会增加冷链端部响应幅值。本文的研究结果可为兼具高柔性和高导热性的新一代冷链的选型与设计提供依据。关键词 空间制冷,冷链,高导热,热阻 中图分类号:TB324 DOI:10.12044/j.issn.1007-2330.2024.01.011Thermal and Mechanical Performances of Cold Chain With High Thermal Conductivity Flexible
3、Graphite Film for Space ApplicationZHOU Ji1 WANG Zhenying1,2 LYU Weidong1 LIU Yingjun3 ZHANG Yanhu4(1 Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity,Beijing 100094)(2 North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang 065000)(3 Department of Polymer Science and Engineering,Zhejiang University
4、,Hangzhou 310063)(4 School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013)AbstractCold chain devices with ultra-flexibility and high thermal conductivity had important engineering value and strategic significance in the fields of infrared focal-plane refrigeration for space loads,acti
5、ve and efficient heat transfer,and uniform temperature thermal management.A new graphene film cold chain was proposed,and thermal collaborative design and experimental research were carried out for this prototype.The effects of cold chain length,lap length,size,and the number of end columns on heat
6、transfer of the heat transfer belt were explored.Meanwhile the effects of cold chain length,thickness,and width on its vibration transfer were verified.The results show that solder filling has a significant effect on the improvement of the thermal conductivity of cold chains.Increasing the lap lengt
7、h and the number,the diameter of the end columns can effectively improve the thermal conductivity of the cold chain.Further,the decrease in thickness,the increase in the width and the ratio of width-thickness can increase the response amplitude of the cold chain end.This study is prone to provide a
8、fundamental reference for the design and selection of cold chains with both high flexibility and high thermal conductivity.Key words Space refrigeration,Cold chain,High thermal conductivity,Thermal resistance0 引言柔性冷链作为遥感卫星低温光学相机热控系统的关键构件,是连接红外相机探测器组件和制冷部件的唯一桥梁,对红外相机焦平面低温保证具有重要意义1-3。传统金属冷链(铜或铝材质)的密度大
9、和导热能力弱,且刚度大而柔性差。应用传统金属收稿日期:2022-06-20基金项目:国家自然科学基金(No.52106071)第一作者简介:周吉,1986年出生,博士,高级工程师,主要从事大规模红外焦平面制冷的研究工作。E-mail:通信作者:张彦虎,1985年出生,博士,副研究员,主要从事压电智能器件和低温摩擦驱动的研究工作。E-mail: 86宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期冷链,制冷机运行时产生的振动通过冷传递到相机成像系统,严重影响成像质量和分辨率 4-6。因此,亟需发展具有导热/减振一体化特性的柔性冷链技术,实现高效热管理的同时,弱化或消除制冷链的机械振动及其对卫星成像
10、的不利影响,以满足未来卫星对冷链轻量化、高柔性、长寿命和大冷量的特殊要求。在柔性冷链研究领域,RAVEX A、WILLIAMS B、KOBAYASHI K和YARIFARD M等人4,7-9针对金属导热冷链的导热及刚度要求进行了研究和讨论。研究指出,传统的金属基导热冷链第一个轴上具有较高的柔性,之后刚度递增,在连接可调焦平面时散热带的适配性面临挑战。TROLLIER等 10指出金属基柔性导热冷链冷热两端之间的高导热耦合和低刚度相当重要。同时,应许可冷端和探测器之间的不对准和相对动态位移,从而弱化振动传递。另外,轻质、小体积和清洁度等要求,在持续载荷和热循环过程中性能不衰退。PLATUS等 11
11、提出使用负刚度机构来减小航天器导热冷链的振动传递,用于冷热部件热传导和结构解耦。URQUIZA等 12开发了一种双臂焦平面导热冷链以减少传递到焦平面的拉伸及剪切应力。魏露露等 13对金属铜箔导热冷链研究发现,随着紫铜箔层数的增加,层间接触热阻增加,致使冷量传输损失增加。综上,现有的导热冷链设计方面的研究主要是通过实验验证预设方案是否合理,这种后验方法对热力耦合复杂系统主动设计与隔振施策不利。另外,目前针对导热冷链的性能评价主要集中于金属基导热冷链和石墨基导热冷链,很少对新一代石墨烯膜导热带进行性能评价。鲜见对导热性和柔性(减振特性)二者的兼容特性的研究报道。此外,已有研究中导热冷链的热导率普遍
12、偏低,且对其低温下的热导率关注较少。本文提出一种新型石墨烯冷链结构,并对其热导率和整体柔性进行分析和测评。通过自建的冷链热导率测试台测试热导率,进一步利用有限元软件Comsol进行传热特性分析。探明长度、搭接长度、端头柱子尺寸及数量因素对导热冷链热传递的影响。同时,开展冷链振动传递性能探究,明确长度、厚度、宽度对导热带振动传递的影响,拟为冷链选型和设计提供依据。1 导热冷链结构导热冷链由石墨烯膜和纯铜端头组成,根据设计需要,对石墨烯膜进行叠层,通过模切将石墨烯膜制成特定形状和尺寸。为了强化石墨烯膜界面和法向传热,采用“离子注入”+“磁控溅射”复合工艺对石墨烯膜表面金属化处理。对多层石墨烯先采用
13、加压扩散焊接成型,然后对层叠石墨烯膜与金属端头之间填充焊料,减小接触热阻并提升面向传热效率。采用钎焊方法将中部多层石墨烯膜与端头焊接一体化成型,最后对多层石墨烯膜和端头进行包覆。前期加工的底座和盖板相对较厚,需要对焊接好的导热冷链端头进行加工打磨等轻量化处理,加工好的导热冷链如图1(a)所示。石墨烯冷链模型的界面剖视图如图1(b)所示。其中,T两端温差,L石墨烯长度,L1石墨烯膜搭接长度,d石墨烯膜宽度,Q加热功率,h石墨烯膜总厚度=单层膜厚度层数,A有效传热面积=dh。在仿真过程中,冷链端头材料设定为铜,80 K下热导率为500 W/(mK),石墨烯膜x方向和y方向(面内)设置热导率为1 1
14、00 W/(mK),z方向(法向)根据界面优化后的数值将热导率设置为10 W/(mK)。未特殊说明时,石墨烯膜层间填充的金属焊料80 K下热导率为450 W/(mK),单侧镀层厚度为7 m。石墨烯膜与端头间的焊料80 K下热导率设置为450 W/(mK),焊料填充厚度设为2 mm。2 导热冷链热导率分析导热冷链热导率总体包括两部分:一部分是端头的热导率;一部分是冷链中间石墨烯膜的热导率。在冷量传递过程中,由于石墨烯膜的法向热导率比较低,绝大多数的冷量会通过端头侧壁传导到石墨烯膜。然后,通过石墨烯膜面内方向热传导最终到达导热带热端。因此,多层石墨烯膜侧壁与端头侧壁之间的热通路十分重要。由于多层石
15、墨烯膜材料本身以及加工方式等因素限制,制作好的多层膜的侧壁粗糙度相对较大。同时,安装时多层膜与端头的侧壁之间压力极小,导致外壁的实际接触面积并不充分。为了减小界面热阻和增加热导率,需要在多层膜与端头之间填充焊料。通常在两者中建立一个桥梁,使得冷量可以很好进行传输。鉴于此,在导热带改进时考虑两种改进界面热阻的方案:一是通过对单层石墨烯膜端头两侧进行气图1导热石墨烯膜冷链及其结构模型示意图Fig.1Graphene film cold chain and structure model 87宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期相沉积热导率大的金属,从而提高石墨烯膜的法向传热;二是通过对端
16、头与多层石墨烯膜之间进行焊料填充,进而减小界面热阻。分别研究两种界面热阻改进方法对导热带热导率的影响,利用Comsol对模型的接触热阻进行设置来模拟不同界面接触的设置。界面改进前,膜与膜之间没有金属层,法向热导率为 5 W/(mK)。多层膜与端头侧壁之间也仅仅是几何接触,界面改进后石墨烯膜与膜之间有一层金属膜,端头侧壁与多层膜之间有一层焊料。在此,利用仿真手段对比分析了三种预设热阻工况对导热带性能的影响,如图2所示。结果显示,端头侧壁与多层石墨烯之间填充焊料对导热带热导率的影响远远高于石墨烯膜镀金属对导热带的影响。同时,焊料以及金属层热导率的提高对导热带的总体热导率影响不大。由于石墨烯膜具有各
17、向异性热导率,法向热导率极低。为了验证在某相机的工作环境下石墨烯膜导热带的导热性能,对不同温度下石墨烯膜、铜基和铝基材料的导热带进行热学仿真。根据仿真结果做出如图3所示的不同材料不同温度下热导率关系图。结果显示,当温度在80293 K时,石墨烯膜导热冷链的热导率远高于铜基和铝基导热冷链。表明,石墨烯膜导热带具有优异的热学性能。因此,选择石墨烯膜作为导热冷链基体是合理而可行的。为了研究石墨烯膜长度与端头搭接长度对冷链热导率的影响,建立不同几何构型的石墨烯膜三维模型。将构建好的模型导入到仿真软件中进行热学仿真分析。膜的总长度L为107、127、147和167 mm,对应的搭接长度 L1分别为 14
18、、17、20、23 和 26 mm。石墨烯膜宽度为17 mm,厚度5 mm。设定搭接长度L1与石墨烯膜长L比值为。仿真得到导热带冷热两端的温度差,根据傅里叶传热公式求得不同条件下的热导率。采用无量纲的值作为x轴,得到不同搭接长度与不同膜长比下的热导率关系图(图4)。在石墨烯膜总长度L确定的情况下,随着搭接长度的增加即的增加,热导率呈线性增加。从图中可以看出,四条直线斜率基本一致。此外,在石墨烯膜尺寸一定的情况下,增加与端头的搭接长度,相应的导热带总的热导率增加。究其原因,增大搭接长度即增大搭接面积,搭接面积增加不仅增加了石墨烯膜的法向传热面积;同时,增加了多层膜与端头侧壁之间的接触面积,从而增
19、加冷量传输效率,进而提升了导热带的总体热导率。导热带中的多层石墨烯膜通过端头底座上的立柱进行安装定位,底座中立柱尺寸及数量对冷链的热导率有一定的影响,需要进行立柱与导热冷链的热学仿真。设置立柱主要有利于石墨烯膜搭接段的固定,有利于钎料的灌注和焊接,有利于导热带的制作。相比热导率的提高,立柱对石墨烯膜搭接段的固定作用更重要。为此,分别建立柱子数为0、1、2、3、4,圆柱直径为2、3和4 mm的冷链三维仿真模型。立柱与多层石墨烯膜之间采用等效薄热阻层接触,层热导率设置为400 注:(1)端头侧壁未填充焊料(黑色方框);(2)石墨烯膜层间镀不同热导率的金属膜(蓝色三角形);(3)石墨烯膜层与层之间未
20、进行镀膜而端头侧壁填充不同热导率的焊料(红色圆)。图2不同区域热阻改变对冷链热导率性能的影响Fig.2Influence of thermal resistance in different regions on thermal conductivity of cold chain图3不同材料质冷链的热导率随温度变化情况Fig.3The thermal conductivity of cold chain of different material varies with temperature图4冷链搭接长度与膜长比值对热导率的影响Fig.4Effect of the ratio of co
21、ld chain overlap length and film length on heat conductivity 88宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期W/(mK),层厚度为2 mm,仿真结果如图5所示。随着立柱数量及直径的增加,导热冷链的热导率也随之增加。在相同直径大小下,4个立柱与1个圆柱时的热导率相差未超过25 W/(mK)。立柱数量的增加可以在热传递过程中一定程度上减小石墨烯膜法向热导率不足的缺点,同时减小了热传递路径,可以更快地将冷量传递到冷链的安装面上。但是随着立柱数量的增加热导率提升不是很明显,同时考虑到加工成本的问题,立柱数量可以根据情况进行考虑。此外,在立
22、柱数量确定的情况下,随着立柱直径的增加,热导率也增大。立柱直径的增加,端头处石墨烯膜传热占比下降。又因为石墨烯膜在法向的热导率极小,增加立柱直径一定程度上强化了端头法向传热能力。综上,整体热导率随着法向传热的增加而得以提升。由于端头立柱数量及尺寸之间存在一定关系,因此研究当端头柱子的截面面积一定,改变立柱数量,对导热带的热导率的影响。立柱总截面积为12.56 mm2,将立柱数量分别设置为14个,其他条件不变,得到如表1所示的数据。仿真结果显示当柱子的截面面积一定的情况下,导热带的热导率无明显变化。由于柱子截面积占总的端头底部面积不变,端头立柱数量及尺寸的影响可归于立柱总的截面积对热导率的影响。
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