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摘 要：介绍了泡沫金属的结构特征以及其对换热性能的影响，阐述了泡沫金属的换热性能的研究进展，总结了泡沫金属换热性能的研究与应用的发展趋势，为进一步推动泡沫金属换热性能的研究和应用提供了参考。
关键词：泡沫金属；换热性能；研究进展
1 引言
开孔泡沫金属是一种具有连续贯通的三维多孔结构的材料，其具有比表面积大、比强度高以及内部孔结构复杂等特点。流体可以从其内部流过，流体在其内部流动能有效增加流体与固体泡沫的接触面积、增强流体的扰动，从而使换热性能明显加强。由于它具有吸音减震、比重轻、散热、电磁屏蔽等特性，近年来开孔泡沫金属在很多领域得到广泛的应用，如催化载体、空气电池、生物材料等。尤其开孔泡沫金属广泛应用于制作热交换器、散热器和电子产品的散热器件。
2 泡沫金属的结构特征
泡沫金属从结构上可分为闭孔和通孔泡沫金属两种. 前者含有大量独立存在的气孔，而后者则是连续贯通的三维多孔结构。孔的结构具有可调性，泡沫金属的孔洞形状可以是球形和非球形的；孔隙率也有较高的可调性，用渗流法制备的多孔合金，孔隙率为60%～80%，由金属沉积法所获得的多孔泡沫金属孔隙率较高，均在80%以上，用熔模铸造法则可达到96%；基体金属的成分和组织可调，基体金属根据需要可选择铝、铜、铁、镍、锌、锡等及其合金。一般来说，泡沫金属材料具有四个结构特征：孔径 孔径一般指孔隙的平均直径，这是泡沫金属的基本参数。泡沫金属的孔径一般较大，0.1～10mm或更大，孔径范围可通过工艺控制，可获得的孔径在微米至厘米级之间；孔隙率 孔隙率指孔隙所占体积和总体积之比，由于并非所有孔隙都互相连通，把连通的孔隙与总体积之比称为有效孔隙率，只有所有孔隙都连通时，总孔隙率与有效孔隙率相等，泡沫金属的孔隙率比较高，一般多孔泡沫金属的孔隙率为40%～90% ，而海绵状发泡金属材料的孔隙率可高达98%；通孔度 任何截面上孔隙通道直径平均值与孔隙孔径之比为通孔度；比重及比表面积 泡沫金属的比重轻，一般只有同体积金属的1/50～3/5，它的比表面积大，为10～40cm2/cm3 [1][2]。
3 泡沫金属的结构特征对换热性能的影响
开孔泡沫金属的内部都是由三维筋络相连，组成连续贯通的三维多孔结构，且孔的排列无规则。当泡沫金属的孔密度增大，泡沫金属内筋络增加，流体流经泡沫金属时，固体接触面积变大，使的流体流过泡沫金属时产生极大阻力，从而产生较大压降。而当泡沫金属孔隙率增大时，泡沫金属内的空隙空间增多，实体材料减少，流体流经泡沫金属时，产生的压降就会减小。在泡沫金属应用于换热领域时，如泡沫铜电脑CPU散热器，它主要是以气-固方式进行散热，这时泡沫铜孔密度和孔隙率对换热效果的影响非常关键。空气流经泡沫铜时，一方面由于孔密度增大，空气与固体接触面积大，有利于气-固换热充分，但另一方面由于泡沫铜孔密度增大，增加了空气流动阻力，产生较大压降，导致其换热效果降低。同样道理，空气流经泡沫铜时一方面由于孔隙率增大，空气在泡沫铜内流动的空间变大，空气流经泡沫铜时产生的压降较小，流体能在短时间内带走更多的热量，另一方面孔隙率增大时实体材料减少，空气与固体接触的面积小，导致其换热效果降低。因此，泡沫金属的孔密度和孔隙率应在一个最合理范围内。在实际应用中泡沫金属的孔密度和孔隙率不是各自单独对流过的流体作用而是同时作用，要充分发挥泡沫金属的换热性能优势，就需要获得合理的结构参数。
4 泡沫金属换热性能的研究进展
近些年来，鉴于金属泡沫优良的换热性能，针对其传热性能的影响因素进行了大量的研究。文献 [3]中利用电加热和空气-水换热器两套实验系统研究了空气在泡沫金属和针翅结构中的流动和换热能力，并对几种针翅结构中的对流换热特性进行了数值模拟。实验结果表明，泡沫金属的换热和流动阻力均随孔密度（PPI）的增大而增大；低雷诺数下，30PPI的泡沫铜的换热系数最大，其结构增强了气流的扰动，达到强化换热的效果，但同时压力损失较大；无论是在高雷诺数还是低雷诺数下，平直翅片具有较好的综合换热性能；有效传热面积对于强化换热有着重要作用；对于加密的方形针翅结构，虽然表面积提高了，但其传热系数却未有提高。
美国Colorado大学的Mahajan教授课题组对泡沫金属进行了数项研究。Calimidi用实验和数值模拟的方法考察了泡沫金属中热弥散和非热平衡效应，结果发现对于泡沫金属和空气之间的对流换热，热弥散效应相比固体骨架中的高热导率来说非常小。Bhattacharya把金属肋间加入泡沫金属材料，制成一种新型换热器。作者对5ppi和20ppi的泡沫金属材料在流速为0.5-1.9m/s情况下强化对流换热系数和压降进行实验测量，结果显示，对流换热系数最高可达1000W/m2K，而压降只有60Pa左右，换热效果良好。对于浮升力引起的自然对流换热，这种换热器换热效果要比单纯的泡沫金属换热器或者优化后的肋片换热器都要好。强化换热的效果随泡沫金属孔径的增大、孔隙率的变小和肋密度的增大而增强。Mahajan等利用微型摄像仪拍摄下不同孔隙率泡沫金属的内部结构从而试图建立一个合理的二维模型来模拟计算泡沫金属结构的有效导热系数，并与经验公式进行对比分析，检验模型的合理性。研究表明：泡沫金属的导热系数很强烈的依赖于泡沫金属的孔隙率以及孔之间连接处的结构，并且表明导热系数与孔的密度无关。将泡沫金属结构内自然对流情况下的数值模拟结果与实验结果进行了比较，建立一个较合理的预测泡沫金属对流换热系数的二维模型[4]。
Lee 等对铝泡沫金属应用于电子元件冷却对流换热进行了测试，结果显示其具有很好的冷却效果（可达到100 W/cm2）。Kim 等对铝金属泡沫翅片的换热性能与传统翅片相比，结果发现前者的传热性能明显优于后者。近些年来，鉴于金属泡沫优良的换热性能，针对其传热性能的影响因素进行了大量的研究。Boomsma 等以水为冷却介质，在强制对流的情况下，对尺寸大小相同、孔径相同、孔隙率和孔密度不同的被压缩金属泡沫样品的换热情况进行了比较，考察孔结构对金属泡沫换热性能的影响，优化金属泡沫的结构。他还用泡沫金属的换热性同传统的换热器进行了比较，发现被压缩金属泡沫换热器的热阻要低很多，换热性能有很大的提高，指出金属泡沫作为散热材料诱人的前景[5]。
5 结束语
综上所述，泡沫金属的特殊结构以及换热性能的优势引起了世界各国的广泛重视和大力开展研究。目前国内对泡沫金属换热性能的研究还处于实验阶段，泡沫金属内的流体压降和传热特性，用于换热性能的宏观和微观泡沫金属结构模型建立以及泡沫金属换热性能用于换热器等工程应用将有待于进一步研究和开发。随着泡沫金属生产工艺的不断完善及对其换热性能研究开发的不断深入，其良好的换热性能在换热领域的应用还在不断地扩大，将作为一种新型换热材料广泛用于工业和民用领域。
参考文献：
[1]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（4）：521
[2]左孝青，孙加林.泡沫金属的性能及应用研究进展[J]..昆明理工大学学报（理工版），2005，30（1）：13～17
[3]宋绍峰.泡沫金属与针翅结构中对流换热研究[D].北京：清华大学，2007.
[4]秦江涛.金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究[D].西安：西安科技大学，2011
[5]汪双凤，李炅，张伟保.开孔泡沫金属用于紧凑型热交换器的研究进展[J].化工进展，2008，27（5）：675-678
作者简介：郭芳芳（1981 - ），女，江西吉安人，江西科技学院，硕士。研究方向：材料成型及相关材料的应用。
关键词：泡沫金属；换热性能；研究进展
1 引言
开孔泡沫金属是一种具有连续贯通的三维多孔结构的材料，其具有比表面积大、比强度高以及内部孔结构复杂等特点。流体可以从其内部流过，流体在其内部流动能有效增加流体与固体泡沫的接触面积、增强流体的扰动，从而使换热性能明显加强。由于它具有吸音减震、比重轻、散热、电磁屏蔽等特性，近年来开孔泡沫金属在很多领域得到广泛的应用，如催化载体、空气电池、生物材料等。尤其开孔泡沫金属广泛应用于制作热交换器、散热器和电子产品的散热器件。
2 泡沫金属的结构特征
泡沫金属从结构上可分为闭孔和通孔泡沫金属两种. 前者含有大量独立存在的气孔，而后者则是连续贯通的三维多孔结构。孔的结构具有可调性，泡沫金属的孔洞形状可以是球形和非球形的；孔隙率也有较高的可调性，用渗流法制备的多孔合金，孔隙率为60%～80%，由金属沉积法所获得的多孔泡沫金属孔隙率较高，均在80%以上，用熔模铸造法则可达到96%；基体金属的成分和组织可调，基体金属根据需要可选择铝、铜、铁、镍、锌、锡等及其合金。一般来说，泡沫金属材料具有四个结构特征：孔径 孔径一般指孔隙的平均直径，这是泡沫金属的基本参数。泡沫金属的孔径一般较大，0.1～10mm或更大，孔径范围可通过工艺控制，可获得的孔径在微米至厘米级之间；孔隙率 孔隙率指孔隙所占体积和总体积之比，由于并非所有孔隙都互相连通，把连通的孔隙与总体积之比称为有效孔隙率，只有所有孔隙都连通时，总孔隙率与有效孔隙率相等，泡沫金属的孔隙率比较高，一般多孔泡沫金属的孔隙率为40%～90% ，而海绵状发泡金属材料的孔隙率可高达98%；通孔度 任何截面上孔隙通道直径平均值与孔隙孔径之比为通孔度；比重及比表面积 泡沫金属的比重轻，一般只有同体积金属的1/50～3/5，它的比表面积大，为10～40cm2/cm3 [1][2]。
3 泡沫金属的结构特征对换热性能的影响
开孔泡沫金属的内部都是由三维筋络相连，组成连续贯通的三维多孔结构，且孔的排列无规则。当泡沫金属的孔密度增大，泡沫金属内筋络增加，流体流经泡沫金属时，固体接触面积变大，使的流体流过泡沫金属时产生极大阻力，从而产生较大压降。而当泡沫金属孔隙率增大时，泡沫金属内的空隙空间增多，实体材料减少，流体流经泡沫金属时，产生的压降就会减小。在泡沫金属应用于换热领域时，如泡沫铜电脑CPU散热器，它主要是以气-固方式进行散热，这时泡沫铜孔密度和孔隙率对换热效果的影响非常关键。空气流经泡沫铜时，一方面由于孔密度增大，空气与固体接触面积大，有利于气-固换热充分，但另一方面由于泡沫铜孔密度增大，增加了空气流动阻力，产生较大压降，导致其换热效果降低。同样道理，空气流经泡沫铜时一方面由于孔隙率增大，空气在泡沫铜内流动的空间变大，空气流经泡沫铜时产生的压降较小，流体能在短时间内带走更多的热量，另一方面孔隙率增大时实体材料减少，空气与固体接触的面积小，导致其换热效果降低。因此，泡沫金属的孔密度和孔隙率应在一个最合理范围内。在实际应用中泡沫金属的孔密度和孔隙率不是各自单独对流过的流体作用而是同时作用，要充分发挥泡沫金属的换热性能优势，就需要获得合理的结构参数。
4 泡沫金属换热性能的研究进展
近些年来，鉴于金属泡沫优良的换热性能，针对其传热性能的影响因素进行了大量的研究。文献 [3]中利用电加热和空气-水换热器两套实验系统研究了空气在泡沫金属和针翅结构中的流动和换热能力，并对几种针翅结构中的对流换热特性进行了数值模拟。实验结果表明，泡沫金属的换热和流动阻力均随孔密度（PPI）的增大而增大；低雷诺数下，30PPI的泡沫铜的换热系数最大，其结构增强了气流的扰动，达到强化换热的效果，但同时压力损失较大；无论是在高雷诺数还是低雷诺数下，平直翅片具有较好的综合换热性能；有效传热面积对于强化换热有着重要作用；对于加密的方形针翅结构，虽然表面积提高了，但其传热系数却未有提高。
美国Colorado大学的Mahajan教授课题组对泡沫金属进行了数项研究。Calimidi用实验和数值模拟的方法考察了泡沫金属中热弥散和非热平衡效应，结果发现对于泡沫金属和空气之间的对流换热，热弥散效应相比固体骨架中的高热导率来说非常小。Bhattacharya把金属肋间加入泡沫金属材料，制成一种新型换热器。作者对5ppi和20ppi的泡沫金属材料在流速为0.5-1.9m/s情况下强化对流换热系数和压降进行实验测量，结果显示，对流换热系数最高可达1000W/m2K，而压降只有60Pa左右，换热效果良好。对于浮升力引起的自然对流换热，这种换热器换热效果要比单纯的泡沫金属换热器或者优化后的肋片换热器都要好。强化换热的效果随泡沫金属孔径的增大、孔隙率的变小和肋密度的增大而增强。Mahajan等利用微型摄像仪拍摄下不同孔隙率泡沫金属的内部结构从而试图建立一个合理的二维模型来模拟计算泡沫金属结构的有效导热系数，并与经验公式进行对比分析，检验模型的合理性。研究表明：泡沫金属的导热系数很强烈的依赖于泡沫金属的孔隙率以及孔之间连接处的结构，并且表明导热系数与孔的密度无关。将泡沫金属结构内自然对流情况下的数值模拟结果与实验结果进行了比较，建立一个较合理的预测泡沫金属对流换热系数的二维模型[4]。
Lee 等对铝泡沫金属应用于电子元件冷却对流换热进行了测试，结果显示其具有很好的冷却效果（可达到100 W/cm2）。Kim 等对铝金属泡沫翅片的换热性能与传统翅片相比，结果发现前者的传热性能明显优于后者。近些年来，鉴于金属泡沫优良的换热性能，针对其传热性能的影响因素进行了大量的研究。Boomsma 等以水为冷却介质，在强制对流的情况下，对尺寸大小相同、孔径相同、孔隙率和孔密度不同的被压缩金属泡沫样品的换热情况进行了比较，考察孔结构对金属泡沫换热性能的影响，优化金属泡沫的结构。他还用泡沫金属的换热性同传统的换热器进行了比较，发现被压缩金属泡沫换热器的热阻要低很多，换热性能有很大的提高，指出金属泡沫作为散热材料诱人的前景[5]。
5 结束语
综上所述，泡沫金属的特殊结构以及换热性能的优势引起了世界各国的广泛重视和大力开展研究。目前国内对泡沫金属换热性能的研究还处于实验阶段，泡沫金属内的流体压降和传热特性，用于换热性能的宏观和微观泡沫金属结构模型建立以及泡沫金属换热性能用于换热器等工程应用将有待于进一步研究和开发。随着泡沫金属生产工艺的不断完善及对其换热性能研究开发的不断深入，其良好的换热性能在换热领域的应用还在不断地扩大，将作为一种新型换热材料广泛用于工业和民用领域。
参考文献：
[1]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（4）：521
[2]左孝青，孙加林.泡沫金属的性能及应用研究进展[J]..昆明理工大学学报（理工版），2005，30（1）：13～17
[3]宋绍峰.泡沫金属与针翅结构中对流换热研究[D].北京：清华大学，2007.
[4]秦江涛.金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究[D].西安：西安科技大学，2011
[5]汪双凤，李炅，张伟保.开孔泡沫金属用于紧凑型热交换器的研究进展[J].化工进展，2008，27（5）：675-678
作者简介：郭芳芳（1981 - ），女，江西吉安人，江西科技学院，硕士。研究方向：材料成型及相关材料的应用。