增材制造(AM)技术提供了极大的设计灵活性和创建具有非常高面积体积比的复杂几何形状的能力。这为换热器和其他两相传热装置(如热虹吸管和热管)的设计提供了新的机会^[1]。3D打印聚合物和聚合物复合材料具有柔韧性、低重量、防污和耐腐蚀等优点。

 

此外，增材制造可以实现复杂的表面结构，这是增强流固相互作用的重要因素。熔融长丝制造(FFF)由于其开源、低成本和广泛的原料范围而成为一种广泛流行的聚合物增材制造技术。

 

FFF工艺通过热端喷嘴挤出聚合物长丝，该喷嘴穿过构建板，一层一层地制造零件。准确测量3D打印部件的各向异性热性能，特别是导热性，对于理解和预测这些材料的热性能，用于热交换应用和开发新的导热聚合物复合材料至关重要。

 

图1. 稳态热通量计棒执行ASTM D5470^[1]

 

稳态计杆法已被广泛用于测量聚合物复合材料的导热性，无论是通过FFF印刷还是传统制造。这些设备的结构基于ASTM D5470标准的流行实施，其中样品夹在两个仪表杆之间，以测量通过样品的热流密度和接触面之间的温降，如图1所示。

 

从这些测量中，测量样品电阻(代表其体积电阻和与仪表杆的接触电阻的总和)，并可转换为有效导热系数。仪表杆通常由特性良好的导热材料制成，如铜或黄铜。接触电阻的贡献可以通过测量同一材料的不同厚度并假设接触电阻保持不变来估计和扣除。

 

图2给出了计算域和相应的边界条件。在该模型中，几何、材料和边界条件的选择克服了上述实验挑战。仪表杆的截面为40 mm × 40 mm，长124 mm，模拟为导热系数为50 W/mK的钢，以获得可实验测量的合理温度梯度。

 

采用2mm的小样品厚度，以及0.5 W的低输入功率，以最大限度地减少温度漂移和通过绝缘对环境的热损失。总之，准确表征3D打印聚合物复合材料的导热性是开发轻量化增材制造热交换技术的关键一步。

图2. 表棒配置稳态法的数值模拟结果^[1]

 

[1] Elkholy A , Kempers R .An accurate steady-state approach for characterizing the thermal conductivity of Additively manufactured polymer composites[J].Case Studies in Thermal Engineering, 2022.

 

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