增材制造TPMS 在增強相變材料導熱性能中的應用
近年來隨著國家航空航天領域的迅速發展，高速、超聲速等飛行器的電子設備熱防護問題日益凸顯。由于飛行器自身限制，地面環境中的常規散熱方式如自然對流、強制風冷/水冷等無法同樣適用。
這主要是由于此類飛行器的工作環境在超高空、太空等真空、近真空或高速氣動的高溫環境中，飛行器嚴苛的體積重量要求也限制了其熱控設備的選擇空間，此外此類熱載環境多是瞬時高峰值熱載荷或者循環波動熱載荷等不規律熱載。目前為了安全起見常采用增大熱防護設備熱容、表面燒蝕等方法進行熱防護，顯而易見的是這樣會大大增加熱防護設備重量，增加飛行器成本及損害一定的安全穩定性。因此小型化、輕量化、穩定性高的熱防護方案是目前急需解決的關鍵問題。
相變材料，尤其是石蠟，由于其高熔融潛熱和熱循環穩定性以及無毒等熱物性，在熱存儲系統（TESs）系統和熱管理系統(TMSs)中得到了廣泛的應用。但是相變材料的導熱系數很低，與常見的金屬材料相比少2-3個數量級。這就造成了當使用純相變材料進行溫控或者儲能時，加熱面處的溫度會使得其附近的相變材料迅速融化，但是其較低的導熱系數會導致遠離加熱面處的相變材料融化較慢甚至仍保持固體狀態，相變材料內部會存在較大的溫度梯度，嚴重限制了相變材料（PCM）的性能發揮，甚至可以造成設備失效或毀壞。因此如何提高相變材料的等效導熱系數成為急需解決的關鍵問題。
金屬泡沫材料已廣泛應用于相變材料導熱系數的提高，在熱存儲系統(TESs)和熱管理系統(TMSs)中都有應用。傳統的泡沫金屬結構采用Kelvin單元來替代，其幾何和宏觀參數，如孔隙率、孔徑大小和比表面積等對泡沫金屬-PCM復合材料性能的影響已被廣泛研究。
隨著增材制造技術的出現，為傳統技術難以制造的復雜結構帶來了制造解決方案，從而為TESs系統和TMSs系統中應用三重周期極小曲面結構的使用打開了大門。三種典型的三重周期性最小表面為：Gyroid,IWP和Primitive泡沫材料，將它們應用于翅片金屬泡沫-PCM(FMF-PCM)系統中能夠極大提升傳熱性能。因此，基于TPMS的金屬泡沫材料在TESs系統和TMSs中具有很大的應用前景。
金屬泡沫結構
泡沫金屬結構形式一般采用Kelvin單元來代替，理想的金屬泡沫單元使用十四面體單元。Kelvin單元是一種規則的幾何結構，它由6個正方形和8個六邊形面組成，它以最小的表面將空間分割成等體積單元。對泡沫金屬的宏觀參數和幾何參數已經進行了大量的研究工作，如孔隙率、孔隙大小、孔隙度梯度、比表面積密度，以及支柱形狀、各向異性等形態學特征。在已有的研究中，泡沫金屬的基本組成部分(即Kelvin單元本身)始終保持不變。一個明顯的原因是，通過傳統制造技術生產復雜架構的實際可行性不高，無法制造高度復雜的幾何圖形。
FMF-PCM結構及增材制造應用
除了PCM浸漬金屬泡沫中的方法可以增強PCM的傳熱特性外，一種被稱為“翅片金屬泡沫”(FMF)的改進結構也可以增強導熱性能，因為與相對簡單的金屬泡沫PCM(MF-PCM)和翅片PCM(F-PCM)相比，FMF在TESs系統和TMSs中具有更好的傳熱性能。在MF-PCM結構中，PCM浸漬在金屬泡沫中，沒有任何翅片。在F-PCM中，不使用金屬泡沫，PCM填充在翅片之間。FMF-PCM的主要原理是將前兩種結構結合在一起，將金屬泡沫夾在翅片之間，然后將PCM浸漬在泡沫金屬材料中。
等溫條件下通過數值計算發現FMF-PCM、FPCM和MF-PCM三種構型。在整個熔化過程中，與F-PCM配置相比，FMF-PCM配置的平均傳熱系數(HTC)增加了24%，與MF-PCM配置相比增加了約7倍。
近年來隨著增材制造技術的進步，使復雜結構的打印成為可能。在金屬3D打印領域，粉末層熔化技術，如激光燒結、激光熔化和電子束熔化是最常用的技術。3D打印不僅可以制造復雜的幾何圖形，還可以減小材料浪費。此外，所生產的零件的尺寸涵蓋了從打印大型物體到打印納米尺度物體的整個尺度范圍。因此，由于制造技術的轉變，制造復雜拓撲結構的物理障礙已經完全消除，允許完全自由地設計和建造任何結構。因此，之前無法實現加工的金屬泡沫結構重新受到重視，如三重周期性最小表面。
對于FMF-PCM,使用時有一個很難處理的問題，即需要以消除翅片和FMF金屬泡沫之間的接觸熱阻。增材制造可以完美的解決該問題，因為整個FMF模塊可以作為一個單一的部分打印出來。
增材制造—TPMS胞元結構
由于增材制造技術的出現，周期性胞元結構，特別是三重周期性最小表面(TPMS)引起了廣泛的研究興趣。TPMS本質上是所有點的平均曲率為零的最小曲面。TPMS結構可以用數學方法建模，并可以在三個方向上重復建模。這種模式允許TPMS胞元在三個相互垂直的方向上生長，形成TPMS胞元的3D陣列。這里值得一提的是，術語“最小表面”并不是指給定單元尺寸的結構的總表面積最小，事實上，TPMS結構的表面積顯著高于Kelvin單元。這一更高的表面積有助于提高TESs系統的PCM充放熱性能。
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一些經典的TPMS結構是由Schwarz(Schwarz Primitive和Schwarz Diamond)最先提出的。后來，Schoen提出了其他幾種TPMS結構，最著名的是Schoen Gyroid和Schoen I-graph and wrapped package-graph (IWP)。與傳統的基于支撐結構的拓撲結構相比，TPMS結構表現出了優越的性能。TPMS結構的力學性能優于所測試的所有結構。TPMS已被用于支架和組織工程應用。
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