贺晨波; 汪子涵; 唐桂华; 孙晶晶; 孙陈诚; 李俊宁; 王晓艳

doi:10.7498/aps.74.20241731

摘要

为满足航天器热管理材料对高导热和高储/释热性能的双重需求, 本文采用热压成型工艺制备了一种多维碳基导热增强微胶囊相变复合材料, 以解决传统相变材料热导率低和液态泄漏的问题. 基于实验测试和有限元数值模拟, 系统研究了不同组分的含量与配比对相变复合材料热性能的影响机理, 揭示了材料内部多维导热网络的形成机制. 结果表明, 采用多维导热材料协同掺杂与多尺度鳞片石墨复合填充策略, 构建了兼具连通性和致密性的多维碳基导热网络, 其产生的协同导热增强效应显著提升了微胶囊相变复合材料的热导率(1.021 W/(m·K)), 同时保持了高储热性能(81.540 J/g), 为航天器热管理材料的设计和应用提供了支撑.

关键词:

Abstract

In order to meet the requirements for both high thermal conductivity and large latent heat storage and release of thermal management materials for spacecraft, a multidimensional carbon-based, thermally enhanced microencapsulated phase change composite is prepared by using a hot-pressing technique in this work. This method solves the limitations of traditional phase change materials, which suffer from low thermal conductivity and a propensity for liquid leakage. The effects of different content values and ratios of microencapsulated phase change materials, flake graphite, and pitch-based carbon fibers on the composite’s thermal properties, specifically thermal conductivity and latent heat are systematically investigated by integrating experimental assessments with finite element numerical simulations. Furthermore, the mechanism for forming an internal multidimensional heat conduction network is elucidated.These results indicate that introducing multidimensional thermally conductive materials into the microencapsulated phase change system, can establish a continuous and dense multidimensional carbon-based conduction network through optimizing component composition and structure. Using the synergistic effects of these conductive materials and a multi-size flake graphite filling strategy, the overall thermal conductivity of the composite is significantly enhanced, reaching 1.021 W/(m·K), while maintaining a high latent heat of 81.540 J/g. These findings provide theoretical and practical guidance for optimizing and applying advanced thermal management materials to spacecraft.

Keywords:

spacecraft thermal management /
microcapsule phase change composite materials /
multidimensional carbon-based network /
synergistic thermal enhancement

作者及机构信息

1.

2.

通信作者: 唐桂华, ghtang@mail.xjtu.edu.cn

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2022YFC2204302)和国家自然科学基金(批准号: 52130604)资助的课题.

Authors and contacts

1.

2.

Corresponding author: TANG Guihua, ghtang@mail.xjtu.edu.cn

Funds: Project supported by the State Key Development Program for Basic Research of China (Grant No. 2022YFC2204302) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52130604).

文章全文

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施引文献

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Sample	10 μm FG/%	50 μm FG/%	100 μm FG/%	PCMC/%	PCF/%
1	4.25	4.25	16.50	70.00	5.00
2	4.25	8.25	12.50	70.00	5.00
3	4.25	12.50	8.25	70.00	5.00
4	8.25	4.25	12.50	70.00	5.00
5	8.25	8.25	8.50	70.00	5.00
6	8.25	12.50	4.25	70.00	5.00
7	12.50	4.25	8.25	70.00	5.00
8	12.50	8.25	4.25	70.00	5.00
9	12.50	12.50	0.00	70.00	5.00
10	25.00	0.00	0.00	70.00	5.00
11	0.00	25.00	0.00	70.00	5.00
12	0.00	0.00	25.00	70.00	5.00
13	4.95	4.95	5.10	80.00	5.00
14	1.65	1.65	1.70	90.00	5.00
15	9.90	9.90	10.20	70.00	0.00

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Sample	PCF/%	λ/(W·m^–1·K^–1)	ΔH/(J·g^–1)
5	5	0.887	81.282
15	0	0.350	80.241

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