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随着LED照明、5G通讯及新能源汽车等领域电子元器件的高度密集化和大功率化,对于兼具优异散热性能和机械性能的轻量化散热结构及其合金材料的需求正在迅速扩大,高导热镁合金型材迎来其发展机会。但是目前国内外尚无相应的标准,各厂家缺乏参照的技术规范,严重限制了高导热镁合金型材的发展应用。为此,国家有色标委会启动了《高导热镁合金型材》国家标准制定工作,在重庆大学牵头组织编写,确定了现阶段适合纳入标准的合金品种及其推荐性能指标。同时,本文就镁合金散热结构在实际使用中表现出的比相同形状铝合金结构具有更好的散热性能的现象,设计相关实验进行了大量数据测试对比,并结合理论分析确定了镁合金表面具有良好散热性能的作用机理。主要结论如下:
①编写的国家标准GB/T38714-2020《高导热镁合金型材》,通过对目前高导热镁合金的研究情况、市面应用情况的调研以及对标准所选型材进行化学成分、力学性能和热导率的试制测试,确定了现阶段适合纳入标准的合金为M1C、M2S、ZE20M、ME20M、ZK60A、ZM51M,热导率门槛值为110MPa以及其他推荐性能指标;
②建立了圆筒沸水法对比不同合金的散热能力,可评测不同合金及表面处理方法的表面热交换能力。实验发现,纯镁散热性能在50℃~90℃优于纯铝的散热性能,在40℃~50℃时与纯铝散热性能较为接近,在30℃~50℃小于纯铝的散热性能;
③在较高温度下,纯镁表面辐射率远高于纯铝,表面散热能力以辐射散热为主,因此相同形状的纯镁结构在温度较高时散热性能优于纯铝结构;随着温度的降低,镁表面辐射传热优势下降,基体热导率的影响成为主导因素,纯铝的热导率(237W·m-1·K-1)高于纯镁的热导率(158W·m-1·K-1),纯铝散热能力逐渐占优;
④镁筒和铝筒的表面喷涂相同漆后,镁合金表面原有的辐射率优势消失,转而为整体热阻和涂料表面辐射率的综合作用。在表面热交换条件相近时,筒体的散热能力和合金热导率大小成正相关关系。散热整体的高热导率和防腐漆表面的高辐射率均有利于提升整体部件的散热性能;
⑤结合本文《高导热镁合金型材》国家标准编写中数据测试工作和对镁散热结构优势的确认研究,可为未来金属散热结构的轻量化和低成本化设计指明发展方向:合金种类和成分所决定的散热结构基体热导率和自然表面辐射率,散热体需表面防腐时防腐层的热阻和热交换系数等,均需统筹考虑协调设计。
①编写的国家标准GB/T38714-2020《高导热镁合金型材》,通过对目前高导热镁合金的研究情况、市面应用情况的调研以及对标准所选型材进行化学成分、力学性能和热导率的试制测试,确定了现阶段适合纳入标准的合金为M1C、M2S、ZE20M、ME20M、ZK60A、ZM51M,热导率门槛值为110MPa以及其他推荐性能指标;
②建立了圆筒沸水法对比不同合金的散热能力,可评测不同合金及表面处理方法的表面热交换能力。实验发现,纯镁散热性能在50℃~90℃优于纯铝的散热性能,在40℃~50℃时与纯铝散热性能较为接近,在30℃~50℃小于纯铝的散热性能;
③在较高温度下,纯镁表面辐射率远高于纯铝,表面散热能力以辐射散热为主,因此相同形状的纯镁结构在温度较高时散热性能优于纯铝结构;随着温度的降低,镁表面辐射传热优势下降,基体热导率的影响成为主导因素,纯铝的热导率(237W·m-1·K-1)高于纯镁的热导率(158W·m-1·K-1),纯铝散热能力逐渐占优;
④镁筒和铝筒的表面喷涂相同漆后,镁合金表面原有的辐射率优势消失,转而为整体热阻和涂料表面辐射率的综合作用。在表面热交换条件相近时,筒体的散热能力和合金热导率大小成正相关关系。散热整体的高热导率和防腐漆表面的高辐射率均有利于提升整体部件的散热性能;
⑤结合本文《高导热镁合金型材》国家标准编写中数据测试工作和对镁散热结构优势的确认研究,可为未来金属散热结构的轻量化和低成本化设计指明发展方向:合金种类和成分所决定的散热结构基体热导率和自然表面辐射率,散热体需表面防腐时防腐层的热阻和热交换系数等,均需统筹考虑协调设计。