来源 | International Journal of Thermal Sciences

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2026.110657

01

背景

随着人工智能、电子信息与航空航天技术的快速发展，电子器件持续向小型化、高集成化方向发展，散热能力成为制约器件性能与可靠性的核心因素。传统翅片式散热器依赖扩展表面积强化换热，性能已难以满足现代高热流器件的散热需求；而 三周期极小曲面（TPMS）结构凭借高比表面积、高渗透率、无应力集中的优势，成为高效热管理领域的研究热点。现有 TPMS 散热研究多聚焦铝合金、钛合金，对兼具高导热与优异力学性能的CuCrZr 合金研究极为有限；对金刚石型 TPMS 的 Sheet（片式）与 Solid（杆式）两种拓扑结构的热流性能差异、换热强化机制缺乏系统性分析；多数研究以气体为工质，针对室温冷却水工质的 TPMS 散热性能研究不足。

02

成果掠影

近日，中北大学杨亚琴、刘斌、李忠华团队开展了选择性激光熔化（SLM）成型 CuCrZr 合金金刚石型三周期极小曲面（TPMS）散热器的热流性能优化研究；通过数值模拟与实验验证，系统分析了片式（Sheet）/ 杆式（Solid）两种拓扑结构、20%-50% 相对密度对散热器流动与换热特性的影响，最终证实50% 相对密度的 Diamond-Sheet 结构在 0.4m/s 入口流速下，实现了112714.4 W/(m²・K) 的峰值平均对流换热系数，较传统翅片结构和同密度金刚石- Solid（杆式）结构分别提升176%、209%，综合性能评价系数PEC 达 1.55，为高功率器件的高效热管理提供了全新的拓扑优化方案与实验支撑。研究成果以“High-efficiency heat sink design via SLM-processed diamond TPMS CuCrZr alloy: Optimizing thermal-fluid performance through volume fraction control” 为题，发表于《International Journal of Thermal Sciences》期刊。

03

图文导读

图1.（a）金刚石-固体和金刚石-薄片结构的结构函数表达式和示意图，（b）金刚石-薄片结构的C值与相对密度的线性拟合，（c）金刚石-固体结构的C值与相对密度的线性拟合。

图2.模拟中应用于散热器的边界条件。

图3.金刚石结构水力直径参数示意图。

图4.网格独立性验证：（a）压降Δp随网格单元数的变化，（b）导热通量Q随网格单元数的变化。

图5.网格生成示意图。

图6. CuCrZr合金粉末粒度分布和显微组织形态。

图7.样品模制工艺：（a）SLM工艺的示意图，（b）散热器结构的最终模制部件：（i-iv）20%至50%的金刚石-片，（v-viii）20%至50%的金刚石-固体，（ix）鳍状结构。

图8.流体散热测试平台。

图9.实验数据和数值模拟结果的比较：（a）压降，（b）流体温差。

图10.流体域流速剖面。

图11.流体域中的湍流动能截面。

图12.流体域中涡流分布的剖视图。

图13.散热器结构在垂直于流动方向上的多截面速度分布图。

图14.流体域中流线的示意性分布和通过TPMS结构的流体的横截面。

图15.基于数值模拟结果的不同结构的流动特性随体积分数的变化：（a）平均雷诺数Re，（b）平均流速v（m/s），（c）平均湍流动能k（m² /s²），（d）平均涡流体积（/s）。

图16.流体区域内的温度分布。

图17.不同结构的体积分数与传热性能的数值模拟结果：（a）平均对流传热系数h（W/ m² ·K），（b）平均努塞尔数Nu，（c）金刚石结构的流体接触表面积A（mm²）。

图18.不同散热器结构的温度等值线图。

图19.不同散热器结构在5分钟内的温度变化。

图20.不同散热器结构的对流热流三维示意图。

图21.不同结构的体积分数与流动阻力的关系：（a）流动摩擦系数f，（b）毫米×毫米压力变化。

图22.不同结构的体积分数与PEC评价系数之间的关系图。