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科創(chuàng)項(xiàng)目 | 相變材料與風(fēng)冷耦合散熱技術(shù)或助我國(guó)航空綠色發(fā)展“彎道超車(chē)”

2023-02-13 15:27 1891 點(diǎn)擊

第二屆“科創(chuàng)會(huì)”會(huì)將重點(diǎn)推介5740項(xiàng)科創(chuàng)項(xiàng)目，其中待推廣的高新技術(shù)2808項(xiàng)、待轉(zhuǎn)化的科技成果2089項(xiàng)、待攻克的科技難題843項(xiàng)。

項(xiàng)目數(shù)量多、種類(lèi)全、涉及領(lǐng)域廣，讓我們先睹為快，來(lái)看看其中的一些亮點(diǎn)項(xiàng)目吧。

“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，以傳統(tǒng)化石能源作為動(dòng)力來(lái)源的民航亟需向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型。同期，國(guó)際航空業(yè)正在進(jìn)行航空電動(dòng)化布局。在此背景下，發(fā)展航空電動(dòng)化將是我國(guó)航空業(yè)在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)“彎道超車(chē)”的良好契機(jī)。
中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院副教授智茂永聚焦鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，在第二屆“科創(chuàng)會(huì)”上拋出“面向航空鋰電池?zé)峁芾淼南嘧儾牧吓c風(fēng)冷耦合散熱技術(shù)研究”這一亟待攻關(guān)的科學(xué)技術(shù)難題，期待“借智取才”，與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?、人才共同攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)“彎道超車(chē)”。
“鋰電池是航空產(chǎn)業(yè)進(jìn)行綠色轉(zhuǎn)型的重要?jiǎng)恿υ础?rdquo;智茂永認(rèn)為，鋰電池具有良好的商業(yè)化背景，是未來(lái)航空電動(dòng)化發(fā)展的重要支撐。然而，在運(yùn)行過(guò)程中，鋰電池容易因工作溫度不適宜出現(xiàn)性能衰退、發(fā)熱爆炸等危險(xiǎn)。“航空業(yè)對(duì)于安全性的要求極高，要讓鋰電池作為動(dòng)力電池應(yīng)用于航空領(lǐng)域，必須保證其在飛行過(guò)程中安全穩(wěn)定，并需要在發(fā)生故障時(shí)提供較長(zhǎng)的逃生時(shí)間。因此，鋰電池的熱敏感性質(zhì)及熱安全問(wèn)題是行業(yè)亟需解決的難題。”智茂永說(shuō)。
為此，智茂永將目光聚焦于鋰電池的熱管理系統(tǒng)，研究飛行過(guò)程中在寬溫度寬氣壓范圍下鋰電池的運(yùn)行情況，希望通過(guò)相變材料與風(fēng)冷相耦合的方式，為鋰電池在飛行條件下提供良好的工作環(huán)境。
相變材料是一種相變儲(chǔ)熱材料，能在熔化過(guò)程中吸收大量熱量從而保持溫度恒定，目前已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。在面對(duì)外界溫度變化時(shí)，基于相變材料的熱管理系統(tǒng)可以為鋰電池提供穩(wěn)定的工作溫度。相變材料一般分為有機(jī)相變材料和無(wú)機(jī)相變材料，結(jié)合鋰電池本身易燃易爆的特點(diǎn)，智茂永在研究中舍棄了本身易燃的有機(jī)相變材料，選用了無(wú)機(jī)相變材料，并在此基礎(chǔ)上為相變材料改性。“通過(guò)物理添加或化學(xué)改性手段，可以提高相變材料的導(dǎo)熱、阻燃、機(jī)械等性能，得到安全性更高的相變復(fù)合材料。”
不過(guò)，相變材料也存在一定的局限性。在運(yùn)用于電池?zé)峁芾頃r(shí)，相變材料完全熔化后就會(huì)失去熱管理能力，需要對(duì)相變材料吸收的熱量進(jìn)行及時(shí)散失。為突破這一技術(shù)限制，智茂永想到了風(fēng)冷技術(shù)。“風(fēng)冷是一種傳統(tǒng)的電池?zé)峁芾矸绞?，主要依靠電源?qū)動(dòng)風(fēng)扇帶動(dòng)空氣在預(yù)留的空隙中流動(dòng)，從而將電池產(chǎn)生的熱量帶走。”智茂永介紹，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、商業(yè)化程度高，雖然存在空氣導(dǎo)熱能力差，熱管理效果一般的問(wèn)題，但如果將相變材料和風(fēng)冷相耦合，即對(duì)相變材料制品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)造出空氣流道，既可以解決單純采用風(fēng)冷效果差的問(wèn)題，也可以解決相變材料持續(xù)吸熱失效的問(wèn)題。
對(duì)于實(shí)際的研發(fā)流程設(shè)計(jì)，智茂永將科研項(xiàng)目分為了四個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān)，具體為電池產(chǎn)熱機(jī)理、相變復(fù)合材料制備、模擬飛行環(huán)境下電池模組熱管理實(shí)驗(yàn)以及電動(dòng)飛機(jī)鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)驗(yàn)證。
“首先我們要探究電池在航空器運(yùn)行條件下的產(chǎn)熱模型及其內(nèi)部熱量傳遞規(guī)律，為熱管理系統(tǒng)的實(shí)施奠定理論基礎(chǔ)，然后是高熱焓、阻燃防火、抗機(jī)械振動(dòng)等多功能相變材料的研發(fā)。相變材料研發(fā)制備成功后，我們還需要研究相變材料和風(fēng)冷相耦合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式，對(duì)熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和熱管理策略進(jìn)行探究。最后，我們將依托航空器防火救援四川省院士工作站、民機(jī)火災(zāi)科學(xué)與安全工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和四川省全電通航飛行器關(guān)鍵技術(shù)工程研究中心等多個(gè)科研平臺(tái)，對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行在電動(dòng)飛機(jī)上的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)對(duì)該系統(tǒng)做進(jìn)一步的優(yōu)化。”智茂永介紹道。
目前，智茂永團(tuán)隊(duì)已完成了電池產(chǎn)熱模型和傳熱規(guī)律的研究，正在研制相變復(fù)合材料。由于項(xiàng)目屬于多學(xué)科交叉項(xiàng)目，涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料和計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，加上鋰電池?zé)峁芾碓诤娇諚l件下的研究報(bào)道極少，沒(méi)有可借鑒經(jīng)驗(yàn)，所以盡管已取得大量研究成果，但距離航空業(yè)實(shí)際應(yīng)用仍然存在一定的差距。
為加快研究進(jìn)程，智茂永團(tuán)隊(duì)在按計(jì)劃推進(jìn)研究工作的同時(shí)，也在積極尋求科研和商業(yè)合作，希望共同開(kāi)展研究，爭(zhēng)取取得具有產(chǎn)業(yè)價(jià)值的科研成果。在此過(guò)程中，科協(xié)系統(tǒng)的“科服保姆”為其提供了大量服務(wù)。“省里和市里都有相關(guān)的配套政策，但我們對(duì)這些不是很了解，‘科服保姆’主動(dòng)聯(lián)系到我們，給我們帶來(lái)政策扶持，并主動(dòng)了解我們現(xiàn)階段需求，幫助我們打通合作渠道，非常感謝。”他說(shuō)。
目前，智茂永團(tuán)隊(duì)已有初步合作意向的企業(yè)。在第二屆“科創(chuàng)會(huì)”上，他期待推廣該項(xiàng)目以尋求更多合作的可能。“希望通過(guò)多方努力，可以為航空業(yè)的發(fā)展提供科學(xué)理論依據(jù)和解決方案。”
據(jù)介紹，今年廣漢市科協(xié)開(kāi)展了院士（專(zhuān)家）工作站服務(wù)能力提升項(xiàng)目，“面向航空鋰電池?zé)峁芾淼南嘧儾牧吓c風(fēng)冷耦合散熱技術(shù)研究”這一科創(chuàng)項(xiàng)目就是以此契機(jī)申報(bào)的。廣漢市科協(xié)的劉雪是該項(xiàng)目的“科服保姆”，她表示接下來(lái)將以“勤”字打底，“專(zhuān)”字當(dāng)頭，“細(xì)”字為先的精神，繼續(xù)用活、用好、用精“天府科技云”平臺(tái)和“科創(chuàng)會(huì)”兩大招牌，持續(xù)幫助科技工作者物色合適的項(xiàng)目合作方，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展。
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第二屆“科創(chuàng)會(huì)”會(huì)將重點(diǎn)推介5740項(xiàng)科創(chuàng)項(xiàng)目，其中待推廣的高新技術(shù)2808項(xiàng)、待轉(zhuǎn)化的科技成果2089項(xiàng)、待攻克的科技難題843項(xiàng)。項(xiàng)目數(shù)量多、種類(lèi)全、涉及領(lǐng)域廣，讓我們先睹為快，來(lái)看看其中的一些亮點(diǎn)項(xiàng)目吧。在我們的傳統(tǒng)認(rèn)知中，一種特定的材料往往只具備某種特定的屬性。也正因如此，這種材料只能在某一個(gè)或少數(shù)領(lǐng)域得以應(yīng)用，不具備更廣的通用性。那么，有沒(méi)有可能研發(fā)出一種同時(shí)擁有多種屬性，且可以應(yīng)用于多