本文档属于类型a，是一篇关于相变材料（Phase Change Material, PCM）集成拓扑优化散热器的瞬态热性能研究的原创性学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

主要作者及发表信息

本研究由Ange-Christian Iradukunda（美国阿肯色大学机械工程系）、Andres Vargas（同单位）、David Huitink（通讯作者，阿肯色大学）和Danny Lohan（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校工业与系统工程系）合作完成，发表于Applied Thermal Engineering期刊（2020年，卷179，文章编号115723）。

学术背景

研究领域：电子设备热管理，重点针对瞬态热负荷下的被动冷却技术。
研究动机：随着电子设备功能增强和微型化趋势，传统散热方案（如风冷/液冷）难以满足瞬态高热流密度需求。相变材料（PCM）因其高潜热储能和近等温特性成为潜在解决方案，但其低导热性（如有机PCM导热系数仅0.59 W/mK）限制了响应速度。
研究目标：通过拓扑优化（Topology Optimization, TO）设计复杂散热结构，结合增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术，提升PCM的热传导效率，并开发混合主动-被动散热方案。

研究流程详述

1. 拓扑优化设计

• 方法：采用密度法（SIMP，Solid Isotropic Material with Penalization）对三维设计域（40×40×10 mm）离散化，以温度方差最小化为目标，约束导热材料体积占比30%。
  
• 创新点：
  
  • 引入最小半径约束（rmin=0.5 mm）以适应增材制造工艺限制。
    
  • 针对纯传导（PCM散热器）和传导-对流混合（混合散热器）分别优化，后者通过简化模型（Iga et al.方法）整合侧表面对流系数（50 W/m²K）。
    
• 软件工具：MATLAB实现优化算法，使用MMA（Method of Moving Asymptotes）求解器。
  

2. 散热器制造

• 工艺：采用直接金属激光烧结（DMLS）加工AlSi10Mg合金散热器，最小特征厚度1 mm。
  
• 对比设计：
  
  • 基准方案：传统矩形翅片散热器（基于文献[36]优化参数）。
    
  • TO方案：包括两种拓扑优化结构（TO1：真实器件尺寸；TO2：简化全基底尺寸）。
    

3. 实验验证

• 测试平台：
  
  • 加热器：氮化铝（AlN）基板，最大功率150 W，内置热电偶监测温度。
    
  • 数据采集：DI-2008系统记录温度数据，热电偶嵌入PCM监测熔化均匀性。
    
  • 强制对流测试：定制风洞（风速4.5 m/s，环境温度22°C）。
    
• PCM选择：有机PCM D-山梨糖醇（D-sorbitol），熔点75°C，潜热通过DSC（差示扫描量热法）标定。
  
• 测试工况：
  
  • 恒定负载（5 W）下评估PCM性能。
    
  • 脉冲负载（50 W，周期启停）测试混合散热器峰值温度抑制能力。
    

4. 数据分析

• 关键指标：
  
  • 增强因子（Enhancement Factor, EF）：对比PCM散热器与无PCM散热器的温升时间延迟。
    
  • 温度均匀性：通过PCM内部多点热电偶计算最大温差（ΔTmax）。
    

主要结果

1. 拓扑优化散热器性能

• TO1结构（真实器件尺寸）表现最佳，在5 W负载下：
  
  • 温升50°C→100°C时间延迟3.5倍（从487 s延长至1695 s），优于基准矩形翅片（EF=3.2）。
    
  • PCM熔化期间温度均匀性提升，ΔTmax较基准设计降低15%。
    
• TO2结构因简化假设导致PCM响应延迟，但高温段（100°C→120°C）EF达3.3。
  

2. 混合散热器脉冲负载测试

• 峰值温度抑制：TO混合设计较传统翅片设计降低18.9°C（216.6°C vs. 235.5°C）。
  
• PCM动态行为：首周期熔化显著平抑温升，但后续周期因山梨糖醇过冷特性（DSC曲线无再结晶峰）效果减弱。
  

3. 参数化分析

• TCE体积分数影响：模拟显示30%体积分数平衡了响应速度（熔化起始时间596.9 s）与储能时长（熔化持续时间631.8 s）。
  

结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 首次将拓扑优化与增材制造结合用于PCM散热器设计，验证了复杂结构对热均匀性的提升作用。
     
   • 提出混合散热器架构，为瞬态高功率电子冷却提供新思路。
     
2. 应用价值：
   
   • 可降低主动冷却系统的尺寸、重量及功耗需求，适用于便携设备或间歇性负载场景。
     
   • 为PCM与TCE（导热增强体）的协同设计提供量化依据。
     

研究亮点

1. 方法创新：
   
   • 密度法拓扑优化中整合传导-对流多物理场模型。
     
   • 通过DMLS实现高复杂度散热结构制造（如分形翅片）。
     
2. 性能突破：
   
   • TO1结构展现最优热扩散能力，归因于分支状翅片提升PCM接触面积。
     
   • 混合散热器在50 W脉冲负载下性能优于商业方案。
     

其他有价值内容

• 局限性：山梨糖醇的过冷特性限制了多周期性能，未来需研究纳米粒子掺杂（如文献[42]）改善再结晶。
  
• 扩展性：该方法可适配其他PCM（如金属合金），但需优化熔点匹配与界面热阻。
  

（全文约2000字）