相变材料导热强化及其在高温测井仪热管理中的应用研究
发布时间：2021-08-12 22:41
在航空航天、国防军工、石油勘探等领域,电子器件经常面临高温环境,与常温环境不同,高温环境器件散热条件恶化,对热管理提出了更高的要求。然而,目前针对高温环境的热管理研究比较缺乏。本文将以典型的工作在井下200°C高温环境的测井仪为研究对象,从真空绝热和相变储热两方面展开高温环境电子器件热管理研究。采用实验与数值分析相结合的方法,对影响绝热及储热性能的关键因素进行分析。通过制备新型复合材料,优化隔热及储热性能,最后实现测井仪热管理系统应用。主要研究内容及创新点如下:1、从机理上对真空隔热与相变储热传热过程进行分析,建立了真空多层传热模型与非稳态相变传热模型,实现了真空隔热与相变储热系统优化设计。主要结论如下:（1）当真空度达到10-33 Pa时,残余气体导热可以忽略不计;当反射屏层数超过30层时,真空层有效导热系数几乎不变。（2）非稳态相变传热模型最大误差不超过11%,有利于指导相变储热模块优化设计。2、提出了新型复合相变材料制备工艺,解决了石蜡导热系数低及无法实现长时间连续储热的不足。主要研究内容及结论如下:（1）采用石蜡取代传统有毒溶剂超声剥离膨胀石墨制备了石墨纳...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
测井仪结构示意图
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文有效的热控制。在极端环境下，要求散热系统能够抵抗高温、高压、冲击和振动等恶劣条件，同时确保系统结构紧凑、可靠性高，这对传统散热技术提出了巨大的挑战。例如，在面临机械冲击的环境下，为了提高系统可靠性，必须尽量减少活动部件。此外，高温环境与常温环境散热方式也不同，如图 1-2 所示。在常温环境下，热管理措施是将器件产生的热量通过热传导、热对流或热辐射等散热方式传递至周围环境，从而实现对其工作温度的控制。而在高温环境下，由于外界环境温度较高，器件产生的热量无法传递至周围环境，热量长时间累积会造成器件温度升高，同时外界环境热量进入器件内部会进一步加剧器件温度升高，导致性能下降，甚至失效。因此，开展针对高温环境的电子器件热管理研究具有重要的意义。
气凝胶孔隙结构更小，因此导热系数比酚醛树脂泡沫、泡沫陶瓷更低，在航天、军事、民用等领域有着广阔的应用前景。一般情况下，纯硅气凝胶在室温下的导热系数为 0.01~0.03 W/(m·K)[41]，但由于其密度和强度太低，在实际应用中难以单独使用，目前主要通过在气凝胶中添加增强体制备成复合材料以提高其强度。Li等[42]采用芳香族聚酰胺纤维改善气凝胶的强度，制备的复合材料导热系数为 0.0227W/(m·K)，弯曲强度为 0.18 MPa。Wong 等[43]提出采用纳米原纤化纤维素提高 SiO2气凝胶的强度，SiO2气凝胶拉伸强度提高了 25%~40%，而导热系数仅增大 11%。Hong等[44]提出采用纳米孔 SiO2气凝胶浸润多孔氧化锆陶瓷制备成多孔陶瓷-气凝胶复合材料，SiO2气凝胶压缩强度提升至 36.8 MPa，导热系数低至 0.041 W/(m·K)。目前研制的隔热材料在常温下导热系数低，具有良好的隔热效果。然而，随着环境温度的升高，隔热材料有效导热系数增大，同时辐射换热量显著增大，隔热效果变差[45]。此外，材料强度较低，无法满足极端环境应用需求。因此，低导热系数复合材料不适用于高温环境热绝缘。
【参考文献】：
期刊论文
[1]井下极端条件核磁共振探测系统研制[J]. 肖立志. 中国石油大学学报(自然科学版). 2013(05)
[2]低温容器高真空多层绝热性能分析[J]. 程进杰,朱建炳,李正清. 低温与超导. 2013(02)
[3]层间压强对多层绝热性能的影响[J]. 汪荣顺,鲁雪生,顾安忠,周充. 低温工程. 1999(04)
博士论文
[1]固液相变储能热沉的理论与实验研究[D]. 胡锦炎.华中科技大学 2017
[2]热界面材料热阻模型和导热强化研究[D]. 袁超.华中科技大学 2017
[3]纳米胶囊化相变材料的制备及应用研究[D]. 梁书恩.中国科学技术大学 2016
[4]基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究[D]. 饶中浩.华南理工大学 2013
硕士论文
[1]有机改性二氧化硅纳米胶囊化相变材料的制备与性能[D]. 祝亚林.西南科技大学 2016
[2]树形分叉微通道均温散热器的紧凑热模型及其验证[D]. 毛章明.华中科技大学 2012
本文编号：3339213
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
测井仪结构示意图
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文有效的热控制。在极端环境下，要求散热系统能够抵抗高温、高压、冲击和振动等恶劣条件，同时确保系统结构紧凑、可靠性高，这对传统散热技术提出了巨大的挑战。例如，在面临机械冲击的环境下，为了提高系统可靠性，必须尽量减少活动部件。此外，高温环境与常温环境散热方式也不同，如图 1-2 所示。在常温环境下，热管理措施是将器件产生的热量通过热传导、热对流或热辐射等散热方式传递至周围环境，从而实现对其工作温度的控制。而在高温环境下，由于外界环境温度较高，器件产生的热量无法传递至周围环境，热量长时间累积会造成器件温度升高，同时外界环境热量进入器件内部会进一步加剧器件温度升高，导致性能下降，甚至失效。因此，开展针对高温环境的电子器件热管理研究具有重要的意义。
气凝胶孔隙结构更小，因此导热系数比酚醛树脂泡沫、泡沫陶瓷更低，在航天、军事、民用等领域有着广阔的应用前景。一般情况下，纯硅气凝胶在室温下的导热系数为 0.01~0.03 W/(m·K)[41]，但由于其密度和强度太低，在实际应用中难以单独使用，目前主要通过在气凝胶中添加增强体制备成复合材料以提高其强度。Li等[42]采用芳香族聚酰胺纤维改善气凝胶的强度，制备的复合材料导热系数为 0.0227W/(m·K)，弯曲强度为 0.18 MPa。Wong 等[43]提出采用纳米原纤化纤维素提高 SiO2气凝胶的强度，SiO2气凝胶拉伸强度提高了 25%~40%，而导热系数仅增大 11%。Hong等[44]提出采用纳米孔 SiO2气凝胶浸润多孔氧化锆陶瓷制备成多孔陶瓷-气凝胶复合材料，SiO2气凝胶压缩强度提升至 36.8 MPa，导热系数低至 0.041 W/(m·K)。目前研制的隔热材料在常温下导热系数低，具有良好的隔热效果。然而，随着环境温度的升高，隔热材料有效导热系数增大，同时辐射换热量显著增大，隔热效果变差[45]。此外，材料强度较低，无法满足极端环境应用需求。因此，低导热系数复合材料不适用于高温环境热绝缘。
【参考文献】：
期刊论文
[1]井下极端条件核磁共振探测系统研制[J]. 肖立志. 中国石油大学学报(自然科学版). 2013(05)
[2]低温容器高真空多层绝热性能分析[J]. 程进杰,朱建炳,李正清. 低温与超导. 2013(02)
[3]层间压强对多层绝热性能的影响[J]. 汪荣顺,鲁雪生,顾安忠,周充. 低温工程. 1999(04)
博士论文
[1]固液相变储能热沉的理论与实验研究[D]. 胡锦炎.华中科技大学 2017
[2]热界面材料热阻模型和导热强化研究[D]. 袁超.华中科技大学 2017
[3]纳米胶囊化相变材料的制备及应用研究[D]. 梁书恩.中国科学技术大学 2016
[4]基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究[D]. 饶中浩.华南理工大学 2013
硕士论文
[1]有机改性二氧化硅纳米胶囊化相变材料的制备与性能[D]. 祝亚林.西南科技大学 2016
[2]树形分叉微通道均温散热器的紧凑热模型及其验证[D]. 毛章明.华中科技大学 2012
本文编号：3339213
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