CN113370614A - 一种承载散热一体化x芯波纹壁方孔蜂窝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝及其制备方法，解决了现有X型点阵芯体三明治板在实际使用过程中存在的流量分配不均的问题，以及X型点阵芯体三明治板的力学承载和对流散热性能较弱的问题，通过添加隔板对通道进行分隔可以改善X型点阵芯体三明治板在实际使用过程中存在的流量分配不均问题；通过将平板翅片改为波纹翅片进一步改善X型点阵芯体三明治板的力学承载和对流散热性能。
Description
技术领域
本发明属于热防护结构技术领域，特别涉及一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝及其制备方法。
背景技术
开孔金属点阵是具有高孔隙率、高效对流散热、高比强度及比刚度、高比表面积与断裂韧性强等特点的新型多功能材料，且其在吸能和减震等多方面存在潜在优势。以其为芯体的轻质三明治板兼具力学承载和对流散热双重功能，特别适用于航空母舰燃气偏流板与火箭发动机燃烧室等军工装备的热管理、军用高强度轻质紧凑式交叉流换热器等应用场合。
尽管可以利用材料力学、传热学等学科的原理对金属点阵的拓扑构型进行灵活多变的设计，然而每一种特定构型的点阵都需要相应的方法来制备。发展至今，主要的制备方法包括熔模铸造、金属丝编织及金属板冲压或折叠，这些方法实施的难易程度及经济性相差很大。
对于熔模铸造法，首先需要通过快速成型技术将蜡及塑料等易熔材料制备成与目标点阵相同的牺牲模型；随后在该模型表面涂覆耐火材料并使其硬化，从而获得满足一定强度要求的型壳，根据实际需要，可以直接将型壳作为铸模，也可在型壳周围填充干沙等制成铸模；当熔融的金属通过浇注口进入铸模时，由易熔材料制成的牺牲模型逐步熔化并通过铸模上预留的出口流出，之后通过脱模清理制备出金属点阵。该方法可以用来制备具有各种拓扑构型的金属点阵，因而通用性强。但是，这种方法要求熔融金属具有很好的流动性，因而只适用于具有高流动性的有色铸造合金，这极大的限制了金属点阵的选材；除了制备工艺复杂、易产生缺陷外，由于三维金属点阵结构的复杂性，每制备一块儿金属点阵材料，就需要重新制备一个铸模，因而制备成本高、经济性差。根据公开发表的文献，目前通过该方法制备的金属点阵主要包括四面体点阵、金字塔点阵及Kagome点等。
对于金属丝编织，首先需要根据目标点阵的拓扑构型将韧性良好的金属丝弯折为特定的形状(比如螺旋状)；其次，将金属丝从不同的方向按照一定的规律嵌入专用的支架中，从而制备出具有一定孔形的单层金属丝网[7]；最后，可以将金属丝网堆叠并焊接，从而制备具有菱形孔或者其他孔形的编织点阵，也可以通过金属丝将一定间距的多层金属丝网连接并在金属丝接触点处涂覆焊剂进行钎焊，最终制备出编织 Kagome点阵和WBD点阵等。由此可见，该方法制备流程繁复，而且编织需要大量的人工参与，制造成本高；对于通过该方法制备的整块点阵材料，其轮廓面的平整度较差，因而需要经过后续切割处理才能保证芯体与面板的良好接触，从而保证焊接质量，这进一步增加了制备成本。
对于金属板冲压或折叠法，首先需要根据目标点阵的拓扑构型制备具有一定孔形的金属板，之后通过相应的模具对金属板进行冲压或折叠从而制备出金属点阵。与上述熔模铸造法和金属丝编织法相比，该方法具有简便易行、易于通过批量生产流水线实现及制备成本低等优点。根据公开发表的文献，目前采用该方法制备的金属点阵主要包括四面体点阵、金字塔点阵及X型点阵等。当制备四面体点阵时，目前相关文献采用冲孔加工制备出具有六边形孔的金属板，在冲孔过程中，与六边形孔对应的金属材料全部变为废料，因而材料浪费严重。对于金字塔点阵，文献通过剪板和平整工艺成功制备出了具有菱形孔的金属板，并采用该金属板成功制备出了金字塔点阵，该方法对材料的利用率接近100％，因而经济性好。采用上述用来制备金字塔点阵的金属板和模具，张钱城[13]等仅仅通过冲压位置的改变成功制备出了X型点阵。
综上所述，与熔模铸造法和金属丝编织法相比，金属板冲压或折叠法的经济性更好，而且该方法易于通过批量生产流水线实现。在用该方法制备的几种金属点阵中，金字塔点阵和X型点阵的经济性最优，而且两者的制备成本完全相同。值得指出的是，实验和理论研究表明，当材料和孔隙率相同时，X型点阵的压缩和剪切强度比金字塔点阵的的压缩和剪切强度高30％，因而X型点阵的力学性能更好；在相同孔隙率条件下，若给定雷诺数或泵功，X型点阵的单相对流散热性能显著优于四面体和Kagome 点阵，且其中独特的螺旋主流及二次流是其散热性能优越的主要原因；与其他点阵相比，X型点阵具有制备方法简单、量产成本低、力学与散热性能优越以及设计灵活可控等生产、结构及性能方面的优势。
由于X型点阵的优越性能，闫宏斌等此前制备了新型X型点阵与平板翅片复合芯体三明治板，且申请了名为《一种X型点阵与平板翅片复合芯体三明治板及其制备方法》的专利，专利号为ZL201710541598.9，其单相强制对流散热性能均优于作为参考的其他三明治板，与X型点阵芯体三明治板相比，散热性能升的幅度约为50％。
上述大部分X型金属点阵的孔隙在各个方向都是连通的，当以其为芯体的三明治板被用于同时需要承载和对流散热的场合时，流体换热工质入口管道截面积一般远小于三明治板入口截面积，这会致使流体在三明治板内的分配不均，不利于利用芯体在特定方向传热较好的特性，最终对三明治板的总体散热性能造成不利影响。而同时，当三明治板作为偏流板应用在航空母舰中时，偏流板需要对喷射的尾气进行快速换热和承载战舰的重量，因此对于散热和承压的要求十分严格，在数秒内需完成上千温度喷射气流的冷却换热，承载30～35吨的舰载机，现有的偏流板在散热和承压方面是无法同时满足需求的。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有X型点阵芯体三明治板在实际使用过程中存在的流量分配不均的问题，以及X型点阵芯体三明治板的力学承载和对流散热性能较弱的问题，本发明设计一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝及其制备方法，本发明的设计使用隔板对通道进行分隔，使流体均匀进入三明治板，通过添加隔板对通道进行分隔可以改善X型点阵芯体三明治板在实际使用过程中存在的流量分配不均问题；通过将平板翅片改为波纹翅片进一步改善X型点阵芯体三明治板的力学承载和对流散热性能。
本发明的技术方案是：一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝，包括面板，还包括若干波浪形组件和若干翅片，其中若干翅片和若干波浪形组件交替连接，翅片和波浪形组件上下两端分别与一面板固连；
所述波浪形组件由若干个拱形单体相互连接组成，拱形单体在与面板连接处接触面为平面；在xyz坐标系下，在xz平面中形成拱形单体，拱形单体在y方向上向外设有凸起，凸起与翅片固连；
所述翅片为波浪形，且在y方向上形成波浪，同一波形的波峰处与一侧的拱形单体凸起连接，对应波谷处与另一侧的波谷连接。
本发明进一步的技术方案是：所述上下两个面板相互平行。
本发明进一步的技术方案是：所述波浪形组件的材质为为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金或镍合金。
本发明进一步的技术方案是：所述翅片的材质为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镍合金或铜合金。
本发明进一步的技术方案是：一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝的制备方法，
步骤1：对具有菱形孔的金属冲孔网或钢板网进行平整处理，采用模压或者折叠技术形成整体X型点阵；
步骤2：采用线切割等方法将整体X型点阵切割为分离式X型点阵芯体；
步骤3：采用清洗剂清洗分离式X型点阵芯体和翅片，去除油污和锈迹；清洗后进行烘干，烘干后进行交替连接安装；
步骤4：采用清洗剂清洗面板，清洗后进行烘干，烘干后与步骤3中得到的整体进行装配，且需要保证面板水平放置；
步骤5：将焊剂浆料涂覆于各部件之间的接触处，烘干后，将装配体放入真空炉，在上面板放置压块；
步骤6：将已经完成的单层装配体进行堆叠粘结，形成多层蜂窝结构；
步骤7：将真空炉抽真空后进行均匀升温加热，当炉内温度达到300～400℃时，保温30～60min，以充分挥发掉焊剂中的粘结剂，之后进一步保温30～60min，最终使得以焊剂充分熔化并实现面板与芯体粘连，由此完成X芯波纹壁方孔蜂窝的制备。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤4和步骤5中的烘干为在45～55℃的烘箱中进行。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤7中真空炉抽真空度到10-2Pa以上。
发明效果
本发明的技术效果在于：和现有技术相比，本发明的效果为：
(1)通过将X型金属点阵堵塞率较大的x方向与波纹翅片结合，芯体被分隔为相互独立的冷却通道。相对于单纯的X型点阵，流体由集流管流入后可较好的分配到各个冷却通道内，借此可充分利用X型点阵在图1所示方向传热性能优越的特点；
(2)相对于X型点阵与波纹翅片的结合，X型点阵与波纹翅片的结合在相同的体积下，传热面积更大，提高了传热性能。
(3)在图1所示的x方向，X型点阵可引起独特的螺旋主流和二次流，借此可显著强化新引入波纹翅片表面的传热。在验证数值模型的基础上，发明人的数值研究表明，对于特定的孔隙率，在等雷诺数条件下，新型X型点阵与波纹翅片复合芯体三明治板与X型点阵与平板翅片复合芯体三明治板相比，散热性能升的幅度约为8％。
(4)引入波纹翅片后，进一步强化了对X型点阵中交叉节点的约束和支撑体积，因而新型点阵结构的压缩强度和刚度可得到进一步提升。
附图说明
图1分离式X型点阵与整体波纹翅片复合芯体三明治板示意图
图2整体窄交叉节点X型点阵示意图
图3切割后的分离式X型点阵芯体示意图
图4整体式翅片示意图
图5分离式X型点阵与整体式波纹翅片的组合方式示意图
图6分离式X型点阵、整体式波纹翅片与面板的组合方式示意图
图7X芯波纹壁和X芯平板壁在相同雷诺数下的散热性性能对比
附图标记说明：1-分离型X点阵；2-翅片；3-面板；4-整体型X点阵
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图7，本发明提出了如图1所示的X型点阵与波纹翅片复合芯体三明治板及其制备方法。如图1所示的三明治板由分离式X型点阵1、整体式波纹翅片2与面板3 组成，各部分通过钎焊连为一体；其中分离式X型点阵与波纹翅片连接时，X型点阵的对顶点刚好与波纹翅片平直部位的两条边对应。
本发明所述面板3、X型点阵芯体1的材质为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金及镍合金，对应板厚为0.2～10mm；本发明所述翅片2材质为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镍合金及铜合金，对应板厚为0.2～10mm；各部分的材质可以不同，以有效平衡三明治板的热学与力学性能。
对于如图1所示的三明治板，其制备方法如下：
1)对具有菱形孔的金属冲孔网或钢板网进行平整处理，采用模压或者折叠技术形成如图2所示的整体X型点阵4，再采用线切割等方法将整体X型点阵切割为如图3 所示的分离式X型点阵芯体1；
3)采用清洗剂清洗如图3所示的X型点阵1以及图4整体式翅片2，以去除油污和锈迹，在45～55℃的烘箱中烘干，随后按照图5将其组装；
4)采用清洗剂清洗如图1的面板3并在45～55℃的烘箱中烘干，将其与图5所示的装配体结合，形成图6所示的装配体；
5)将含有少量粘结剂的焊剂浆料涂覆于各部之间的接触处，带焊剂固结烘干后，将上述装配体放入真空钎焊炉，保证如图1面板3水平，并在上面板放置适当重量的压块；
6)将如图1的装配体堆叠粘结，形成蜂窝结构；
7)将真空炉内真空度抽到10-2Pa以上，开始均匀升温加热，当炉内温度达到 300～400℃时，保温30～60min，以充分挥发掉焊剂中的粘结剂，根据焊剂及三明治板材质进一步升温至特定钎焊温度，保温30～60min以使焊剂充分熔化并实现面板与芯体粘连；
8)最后随炉冷却至室温完成大块三明治板的制备。
实施例1：如图1所示三明治板的制备(304不锈钢材质)。
1)通过对厚度为1mm的304不锈钢板进行冲压加工，制备出与目标X型点阵对应的整体式X型点阵的冲孔网，该冲孔网具有菱形孔；
2)采用与目标X型点阵对应的冲压模具对上述冲孔网进行冲压加工，制备出整体式X型点阵；
3)采用线切割对整体式金属点阵进行切割，制备出如图4所示的分离式X型点阵芯体；
4)采用金属清洗剂对所制备的点阵1和翅片2进行清洗，去除油污及锈迹，将其放入烘箱中，在45～55℃℃环境中烘干，随后将翅片2与点阵1按照图2装配固定；
5)采用金属清洗剂清洗面板3，去除油污及锈迹，将其放入烘箱中，在45～55℃环境中烘干，并将其与图3所示的装配体配合，形成装配体；
6)将粉末状焊料(成分为Ni-25.0Cr-10.0P)、适量水和少量粘结剂混合成一定粘度的浆料，将其涂覆于各部分之间的接触处；带焊剂固结后，将上述装配体放入真空钎焊炉，保证面板3水平，并在上面板放置适当重量的压块；
7)将装配体堆叠粘结，形成蜂窝结构；
8)将炉内抽真空到10-2Pa以上，开始均匀升温加热，当炉内温度达到300～400℃时，保温约30～60min，以充分挥发掉焊剂中的粘结剂，进一步升温到900～1000℃，保温约30～60min以使焊剂充分熔化并实现面板与芯体粘连；
9)最后随炉冷却至室温完成三明治板的制备。
实施例2：如图1所示三明治板的制备(铝材质)。
1)通过对厚度为1mm的1060系铝板进行冲压加工，制备出与目标X型点阵对应的冲孔网，该冲孔网具有菱形孔，冲孔网交叉节点处无等截面段；
2)采用与目标X型点阵对应的冲压模具对上述冲孔网进行冲压加工，制备出整体式X型点阵；
3)采用线切割对整体式金属点阵进行切割，制备出如图4所示的分离式X型点阵芯体；
4)采用金属清洗剂对所制备的点阵1和翅片2进行清洗，去除油污及锈迹，将其放入烘箱中，在45～55℃环境中烘干，随后将翅片2与点阵1按照图2装配固定；
5)采用金属清洗剂清洗面板3，去除油污及锈迹，将其放入烘箱中，在45～55℃环境中烘干，并将其与图2所示的装配体配合，形成如图3所示的装配体；
6)将粉末状焊料(成分为Al-Si-Cu-Zn)、适量水和少量粘结剂混合成一定粘度的浆料，将其涂覆于各部分之间的接触处；带焊剂固结后，将上述装配体放入真空钎焊炉，保证面板3水平，并在上面板放置适当重量的压块；
7)将装配体堆叠粘结，形成蜂窝结构；
8)将炉内抽真空到10-2Pa以上，开始均匀升温加热，当炉内温度达到300～400℃时，保温约30～60min，以充分挥发掉焊剂中的粘结剂，进一步升温到550～620℃，保温约30～60min以使焊剂充分熔化并实现面板与芯体粘连；
9)关闭加热器，随炉冷却至室温完成三明治板的制备。
Claims (7)
1.一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝，包括面板(3)，其特征在于，还包括若干波浪形组件和若干翅片(2)，其中若干翅片(2)和若干波浪形组件交替连接，翅片(2)和波浪形组件上下两端分别与一面板(3)固连；
所述波浪形组件由若干个拱形单体相互连接组成，拱形单体在与面板(3)连接处接触面为平面；在xyz坐标系下，在xz平面中形成拱形单体，拱形单体在y方向上向外设有凸起，凸起与翅片(2)固连；
所述翅片(2)为波浪形，且在y方向上形成波浪，同一波形的波峰处与一侧的拱形单体凸起连接，对应波谷处与另一侧的波谷连接。
2.如权利要求1所述一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝，其特征在于，所述上下两个面板相互平行。
3.如权利要求1所述一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝，其特征在于，所述波浪形组件的材质为为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金或镍合金。
4.如权利要求1所述一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝，其特征在于，所述翅片(2)的材质为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镍合金或铜合金。
5.基于权利要求1所述一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对具有菱形孔的金属冲孔网或钢板网进行平整处理，采用模压或者折叠技术形成整体X型点阵；
步骤2：采用线切割等方法将整体X型点阵切割为分离式X型点阵芯体；
步骤3：采用清洗剂清洗分离式X型点阵芯体和翅片，去除油污和锈迹；清洗后进行烘干，烘干后进行交替连接安装；
步骤4：采用清洗剂清洗面板，清洗后进行烘干，烘干后与步骤3中得到的整体进行装配，且需要保证面板水平放置；
步骤5：将焊剂浆料涂覆于各部件之间的接触处，烘干后，将装配体放入真空炉，在上面板放置压块；
步骤6：将已经完成的单层装配体进行堆叠粘结，形成多层蜂窝结构；
步骤7：将真空炉抽真空后进行均匀升温加热，当炉内温度达到300～400℃时，保温30～60min，以充分挥发掉焊剂中的粘结剂，之后进一步保温30～60min，最终使得以焊剂充分熔化并实现面板与芯体粘连，由此完成X芯波纹壁方孔蜂窝的制备。
6.如权利要求5所述的一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤4和步骤5中的烘干为在45～55℃的烘箱中进行。
7.如权利要求5所述的一种承载散热一体化X芯波纹壁方孔蜂窝的制备方法，其特征在于，所述步骤7中真空炉抽真空度到10-2Pa以上。
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