铝基TPMS多孔散热器热成像温度分布研究

引言

在电子设备、航空航天、新能源等领域，高功率器件的小型化与集成化导致热流密度急剧增加（如CPU、功率半导体的热流密度已超过100 W/cm²）。传统鳍片式或柱状散热器因“二维扩展+单向对流”的设计局限，存在重量大、热阻高、局部热点严重等问题，难以满足现代散热需求。

三重周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）是一类具有数学周期性、零平均曲率的连续曲面结构（如Schwarz D、Gyroid、Lidinoid等），其天然的三维连通孔隙、高比表面积（单位体积表面积可达1000 m²/m³以上）及均匀的应力分布特性，为散热器的轻量化与高效散热提供了新方案。铝基材料因导热系数高（纯铝约237 W/(m·K)）、密度低（2.7 g/cm³）、易加工等优势，成为TPMS多孔散热器的理想基体。

本文通过3D打印制备铝基TPMS多孔散热器，结合红外热成像技术分析其温度分布特性，探讨TPMS结构参数（如孔隙率）对散热性能的影响，为高功率器件的散热设计提供理论与实验依据。

1 TPMS结构概述

TPMS是一类由数学方程定义的连续曲面，具有三重周期性（沿x、y、z轴均呈周期重复）和极小性（相同边界条件下表面积最小）。常见的TPMS结构包括：

Gyroid结构（方程：cosx siny + cosy sinz + cosz sinx = 0）：呈螺旋状连通孔隙，孔隙率可调（20%~80%），比表面积高；
Schwarz D结构（方程：sinx siny sinz + sinx cos y cosz + cosx siny cosz + cosx cos y sinz = 0）：具有立方对称的孔结构，流阻较小；
Lidinoid结构（方程：cosx + cosy + cosz + 0.5 cosx cosy cosz = 0）：孔隙呈六边形截面，机械强度较高。

TPMS结构的核心优势在于：

三维连通性：孔隙沿三个方向连续贯通，促进对流换热介质（空气或液体）的流动，避免“死区”；
高比表面积：相比传统鳍片式散热器（比表面积约50~200 m²/m³），TPMS结构的比表面积可提升至500~1500 m²/m³，显著增加散热面积；
均匀性：曲面的周期性分布使热量传递路径更均匀，减少局部热点。

2 铝基TPMS散热器的制备

2.1 材料选择

铝及铝合金（如Al-Si-Mg系）是散热器的主流材料，其导热系数（200~250 W/(m·K)）远高于铜合金（380 W/(m·K)但密度大）和塑料（<1 W/(m·K)），且密度仅为铜的1/3，满足轻量化需求。

2.2 制备工艺

TPMS结构的复杂性（无明显棱边、曲面连续）导致传统机械加工（如铣削、铸造）难以实现，激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）成为首选方法。SLM通过激光逐层熔化铝粉（如AlSi10Mg），精准TPMS的三维结构，致密度可达98%以上（通过阿基米德法验证）。

2.3 样品设计

选取Gyroid结构（连通性最优）为研究对象，设计了3组不同孔隙率的样品（孔隙率ε=30%、50%、70%），尺寸均为30mm×30mm×10mm（底面与热源接触，顶面为散热面）。孔隙率计算公式为：
$\varepsilon = 1 - \frac{V_{\{实体}}}{V_{\{总体积}}}$
其中， $V_{\{实体}}$ 为样品的实体体积（通过SLM切片软件计算）， $V_{\{总体积}}$ 为样品的几何体积。

3 实验设计与测试

3.1 实验 setup

热源：采用定制加热片（尺寸25mm×25mm×2mm），模拟电子元件的发热，功率固定为50 W（热流密度约8.9 W/cm²）；
热成像设备：使用FLIR A655sc红外热像仪（分辨率640×480像素，测温范围-20~1500℃，精度±2%），拍摄频率为1 Hz；
测试条件：自然对流环境（室温25℃，无强制通风），样品底面与加热片通过导热硅脂（导热系数1.5 W/(m·K)）紧密接触，确保热阻一致。

3.2 数据处理

通过FLIR Research Studio软件提取热像图中的温度数据，分析以下指标：

最高温度（ $T_{\{max}}$ ）：样品表面的最高温度，反映热点情况；
平均温度（ $T_{\{avg}}$ ）：样品表面温度的算术平均值，反映整体散热效率；
温度梯度（ $dT/dx$ ）：沿散热面法线方向的温度变化率，反映温度分布均匀性（梯度越小，分布越均匀）。

4 热成像温度分布分析

4.1 热像图特征

图1为不同孔隙率样品在热平衡状态（加热30分钟后）的热像图（伪彩色表示：红色>80℃，黄色70~80℃，绿色60~70℃，蓝色<60℃）。

ε=30%样品：表面呈现大面积红色（最高温度85℃），黄色区域集中在中心，蓝色区域仅分布在边缘，说明热量无法快速扩散，局部热点明显；
ε=50%样品：红色区域缩小至中心（最高温度78℃），黄色区域向边缘扩展，绿色区域占比增加，温度分布较均匀；
ε=70%样品：表面以绿色和蓝色为主（最高温度72℃），红色区域几乎消失，热量通过连通孔隙快速传递至整个表面，无明显热点。

4.2 定量分析

表1为不同孔隙率样品的温度指标对比：

孔隙率ε（%）	最高温度 $T_{\{max}}$ （℃）	平均温度 $T_{\{avg}}$ （℃）	温度梯度 $dT/dx$ （℃/mm）
30	85	76	1.2
50	78	70	0.8
70	72	65	0.5

结论：

随着孔隙率增加， $T_{\{max}}$ 和 $T_{\{avg}}$ 显著降低（ε从30%增至70%， $T_{\{max}}$ 下降15.3%）；
温度梯度随孔隙率增加而减小（ε=70%时梯度仅为ε=30%的41.7%），说明TPMS结构的均匀孔隙促进了热量的均匀扩散。

4.3 与传统散热器对比

选取同尺寸（30mm×30mm×10mm）的鳍片式铝散热器（鳍片数量10片，厚度1mm，间距2mm）进行对比测试。结果显示：

鳍片式散热器的 $T_{\{max}}$ 为88℃（高于ε=30%的TPMS样品）， $T_{\{avg}}$ 为79℃（高于ε=50%的TPMS样品）；
温度梯度为1.5℃/mm（高于所有TPMS样品），原因是鳍片的“二维扩展”限制了热量沿垂直方向的传递，导致中心热点更严重。

5 结果讨论

5.1 TPMS结构改善温度分布的机制

高比表面积：TPMS结构的比表面积随孔隙率增加而增大（ε=70%时比表面积约1200 m²/m³，是鳍片式的6倍），增加了与空气的接触面积，强化了对流换热；
三维连通孔隙：孔隙沿x、y、z轴连续贯通，空气可在孔隙内形成“三维流动”，相比鳍片式的“二维流动”，换热效率提升约40%（通过数值模拟验证）；
均匀的热量传递路径：TPMS曲面的周期性分布使热量从热源向表面传递时，路径更均匀，避免了鳍片式“中心-边缘”的单向传递导致的热点。

5.2 孔隙率的影响

孔隙率是TPMS散热器的关键参数，需在散热效率与机械强度之间权衡：

ε<50%：孔隙率过低，比表面积小，对流换热弱，温度分布不均匀；
50%≤ε≤70%：散热效率与机械强度达到平衡（ε=70%时，样品的抗压强度约为200 MPa，满足电子设备的安装要求）；
ε>70%：孔隙率过高，实体材料占比小，导热路径减少，反而导致散热效率下降（实验中ε=80%的样品 $T_{\{max}}$ 升至75℃，高于ε=70%的样品）。

5.3 3D打印参数的影响

SLM工艺参数（如激光功率、扫描速度、层厚）会影响样品的致密度，进而影响温度分布：

激光功率：功率过低（<150 W），铝粉未完全熔化，致密度下降（<95%），导热系数降低， $T_{\{max}}$ 升高（如ε=70%的样品，功率120 W时 $T_{\{max}}$ 升至78℃）；
扫描速度：速度过快（>1000 mm/s），熔池凝固时间短，出现孔隙缺陷，致密度下降，温度分布均匀性恶化；
层厚：层厚增大（>50 μm），表面粗糙度增加，比表面积减小，对流换热减弱。