《Energies》：Comparative Performance of Foam-Enhanced Eutectic Alloy and Organic Phase-Change Material Heat Sinks for Passive Thermal Management of Small Spacecraft
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由于具有高熔化潜热和高热储能密度，相变材料（phase-change materials, PCMs）为实现被动热管理提供了一种节能且可持续的途径。然而，石蜡等传统有机PCMs具有固有的低热导率，导致高热阻和缓慢的热响应。相比之下，共晶合金PCMs，尤其是低熔
由于具有高熔化潜热和高热储能密度，相变材料（phase-change materials, PCMs）为实现被动热管理提供了一种节能且可持续的途径。然而，石蜡等传统有机PCMs具有固有的低热导率，导致高热阻和缓慢的热响应。相比之下，共晶合金PCMs，尤其是低熔点合金（low-melting-point alloys, LMPAs），其热导率比石蜡类材料高出近两个数量级，使其成为航天器被动热管理和热能储存的理想候选材料；在航天器轨道运行期间，由于环境条件变化显著，维持热稳定性并尽可能减小温度波动至关重要。为解决PCMs的热输运局限性，本研究对集成微结构金属泡沫和纳米结构石墨碳泡沫、并分别浸渍铋基LMPA或石蜡PCM的热沉开展了实验研究，两种PCM的熔化温度均约为47 °C。在代表空间环境的真空条件下，通过比较各热沉构型的温度响应和平均热阻来评估其热性能。同时测试了采用铜泡沫和碳泡沫增强的石蜡构型，并与基于LMPA的相应系统进行比较。不含导热增强体的纯石蜡和纯LMPA基准热沉在常压和真空条件下均进行了实验测试，并将实验基准结果与数值模拟结果进行了验证。结果表明，泡沫增强复合热沉相对于其对应的基准构型，平均热阻改善了近22%。此外，与基准石蜡构型相比，泡沫增强LMPA热沉的平均热阻降低了50%以上，突显了LMPA-泡沫复合材料用于航天器电池模块和电子元件被动热管理的潜力。然而，在相同PCM体积下，基准LMPA构型的质量约为基准石蜡构型的10倍，这凸显了在航天器应用中增强热性能与质量约束之间的权衡。
**研究背景与问题**
随着电子器件功率密度不断提高和小型化持续发展，高效、可持续的散热需求日益迫切。航天器热管理系统需要同时满足低质量和高可靠性的要求，尤其在轨道运行期间面临剧烈交变热环境。由于太空缺乏大气，自然对流和强迫对流均不存在，传导和辐射成为仅有的有效换热途径。相变材料（phase-change materials, PCMs）凭借高熔化潜热和近等温吸放热特性，被广泛视为航天器被动热管理的重要储能介质。然而，传统有机PCMs如石蜡的热导率很低，导致热阻大、热响应慢；低熔点合金（low-melting-point alloys, LMPAs）虽然热导率比石蜡高近两个数量级，但相关复合热沉在真空条件下的系统实验研究仍十分有限，尤其缺乏熔化温度适合锂离子电池热管理的铋基多元LMPA研究。为此，研究人员开展了一项对比实验，将微结构铜泡沫和纳米结构石墨碳泡沫分别与47 °C熔点的石蜡或铋基LMPA复合，形成PCM热沉，面向小航天器及CubeSat平台电池模块的被动热管理需求进行性能评估。
**研究内容与主要结论**
研究共制备并测试了六种热沉构型：无泡沫的基准石蜡热沉、无泡沫的基准LMPA热沉、铜泡沫增强石蜡热沉、碳泡沫增强石蜡热沉、铜泡沫增强LMPA热沉、碳泡沫增强LMPA热沉。实验在模拟空间环境的真空舱内进行，以10 W恒定加热功率模拟轨道光热负载，从21 °C起始温度加热至底面温度达到60 °C安全阈值。结果表明：所有LMPA基热沉均比石蜡基热沉表现出更低的运行温度和更均匀的温度分布；铜泡沫增强LMPA热沉和碳泡沫增强LMPA热沉的平均运行温度比基准石蜡热沉低约7 °C；与基准石蜡热沉相比，这两种LMPA复合构型的平均热阻降低超过50%；所有泡沫增强构型相对于各自对应的基准构型，平均热阻改善约22%。该研究证实，LMPA-泡沫复合材料可显著提升航天器电池模块和电子元件的被动热管理能力，但LMPA密度高，同体积下基准LMPA质量约为基准石蜡的10倍，应用中需要在热性能与质量约束之间进行权衡。
**关键技术方法**
研究人员采用的主要方法包括：利用差示扫描量热仪在1 °C/min升温速率下表征PCM熔化温度；选用60 PPI、80%孔隙率的开孔铜泡沫和75%孔隙率的石墨碳泡沫作为导热增强体；将PCM或LMPA真空浸渗入泡沫中，装入与CubeSat常用OPTIMUS和Pumpkin电池模块截面尺寸匹配的铝制热沉壳体；在真空舱（压力约-28 in Hg）中施加10 W恒定热流，通过8支T型热电偶采集多位置温度；利用ANSYS Fluent有限体积法结合焓-孔隙度模型对基准热沉进行熔化过程数值模拟，并与实验数据互相验证。
**3.1 仿真与实验验证**
数值模拟与基准热沉的真空实验结果吻合良好：基准LMPA热沉的模拟最大偏差为7%，基准石蜡热沉约为10%。相比石蜡，LMPA热导率更高，在相同填充高度和质量下，基准LMPA热沉运行温度更低，最大温度降低达9 °C，且相变过程中温度分布更均匀。液相分数模拟显示，石蜡先从壳体底壁与侧壁交角处熔化并向中心扩展，而LMPA从底面中心开始向外熔化，体现出两者热导率差异对熔化模式的决定性影响。
**3.2 基准热沉在真空与常压下的性能比较**
无泡沫基准热沉在常压条件下的热性能优于真空条件。常压下石蜡基准热沉的最高温度比真空低约5.5 °C；LMPA基准热沉在常压下到达60 °C安全阈值的时间比真空条件下延长约1020 s。两种基准热沉在常压下的平均热阻比真空条件降低约20%。真空条件下自然对流被抑制，热量只能通过传导和辐射散失，因此热阻增大，性能下降。
**3.3 复合热沉在真空条件下的性能**
所有LMPA基热沉在真空下的底面温度均低于石蜡基热沉，且温度曲线更平稳。泡沫对石蜡热沉的增强效果尤为显著：铜泡沫和碳泡沫增强的石蜡热沉运行温度最高比基准石蜡热沉降低6 °C。LMPA基热沉中，由于LMPA本身热导率很高，泡沫对底面温度的进一步改善不明显；碳泡沫增强LMPA热沉熔化时间较短是因为其LMPA填充量仅为其他LMPA构型的一半。基准LMPA热沉的准稳态热阻约为0.20 K/W，约为基准石蜡热沉0.40 K/W的一半；铜泡沫增强LMPA热沉性能最优，在约1000 s后达到约0.12 K/W的最低准稳态热阻。时间平均结果显示，泡沫增强LMPA构型相比基准石蜡热沉平均温度低约7 °C，平均热阻降低超过50%；所有泡沫增强构型相对于其基准构型平均热阻改善约22%。无量纲分析表明，石蜡和LMPA的傅里叶数分别约为1.2和85.5，进一步支持LMPA基热沉具有更快内部热扩散和更均匀温度分布的结论。
**讨论与结论**
研究结果表明，将高导热泡沫与PCM复合可有效改善热沉的平均热阻，其中LMPA-泡沫复合材料在真空条件下具有显著优势，适合作为小航天器中电池模块和电子元件的被动热管理方案。LMPA基热沉的主要制约因素是质量惩罚，同体积下是石蜡基热沉的约10倍，因此工程应用中必须综合权衡热性能与系统质量。未来研究应关注泡沫孔隙率与孔径的影响、任务相关交变热负载下的循环耐久性、铜泡沫与铋基LMPA的长期相容性，以及将多孔导热增强体与PCM耦合的数值模型完善。
