《Journal of Energy Storage》：Tuning the effective thermal conductivity and thermal response of Triply Periodic Minimal Surface-based composites through anisotropic geometry rescaling
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本研究探讨如何通过各向异性重缩放操作调控几何对称复合材料的热导率。研究对象为由高热导率AlSi7Mg合金构成的三重周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）晶格结构填充相变材料（Phase Change Mate
本研究探讨如何通过各向异性重缩放操作调控几何对称复合材料的热导率。研究对象为由高热导率AlSi7Mg合金构成的三重周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）晶格结构填充相变材料（Phase Change Material, PCM）所形成的复合材料。通过在特定方向对晶格几何进行重缩放，复合材料的有效热导率张量呈现各向异性，从而实现对特定轴向热传递的引导，这一特性有助于提升相变材料在热管理应用中的响应速度。研究人员采用热传导有限元模拟评估了几何重缩放及孔隙率对复合材料有效热导率张量对角分量的影响，分析了由高导热铝合金构成的TPMS晶格分别填充无机Sn和有机石蜡类PCM时的热管理潜力。结果表明，各向异性几何重缩放可显著改变热导率，尤其在低重缩放水平下效果明显，增强程度取决于材料选择与孔隙率。研究推导了热导率与重缩放程度及复合相变材料（Composite PCM, C-PCM）孔隙率之间的解析关系。此外，为验证热导率增强效果，研究人员对不同重缩放结构的有机PCM填充体系进行了瞬态工况分析，包括线性温度斜坡与恒定热流条件。结果显示，提高重缩放水平可加速PCM熔化过程，从而促进更快的热量存储，但同时导致PCM域内温度升高不均匀性增大。本研究提供了各向异性随缩放水平和孔隙率变化的定量映射，识别了拓扑依赖的几何拉伸响应，并揭示了几何重缩放在加速熔化与温度均匀性之间的权衡关系。
研究背景方面，三重周期极小曲面（TPMS）因其零平均曲率和高比表面积，在热管理、能量吸收、催化等领域备受关注。TPMS晶格与高导热金属结合后填充相变材料（PCM）可形成复合相变材料（C-PCM），用于热能存储与管理。然而，有机PCM导热率低限制了其性能，金属PCM虽导热率高但存在腐蚀性和体积储热密度低的问题。现有研究多集中于材料选择和静态结构设计，对各向异性热导调控尤其是通过几何重缩放实现定向热传递的研究尚不充分。因此，研究人员针对TPMS基C-PCM开展系统性的几何重缩放研究，以量化其对有效热导率及瞬态热响应的影响，并发表于《Journal of Energy Storage》。
关键技术方法方面，研究人员采用有限元方法对TPMS晶格（Primitive-Schwarz、Gyroid、Diamond、I-graph）在单轴（z方向）进行几何重缩放，缩放比例N为1至5，孔隙率ε设定为0.7、0.8、0.9。材料选用AlSi7Mg合金骨架，分别填充Sn和C80石蜡。稳态热传导模拟用于计算有效热导率张量的对角分量，瞬态模拟则分析PCM熔化过程，边界条件包括线性温度斜坡（T条件）和恒定热流（HF条件）。网格和时间步敏感性分析确保数值精度，所有模拟均忽略自然对流效应。
研究结果部分，在稳态分析中，各向异性重缩放显著改变有效热导率张量，沿缩放方向的keff,z在低N值下快速上升并在较高N时趋于饱和，垂直方向keff,x、keff,y则下降，表明热导呈现强各向异性。Primitive-Schwarz结构在各向异性增益上最高，I-graph最低。微结构效率η和热形态指数μ的分析显示，几何重缩放在低N时效果最显著，且在低导热PCM（如C80）中提升幅度更大。孔隙率变化对η的影响依赖于热导率比值r，高孔隙率在低r材料中会降低横向热导。拟合公式可在给定ε和N下预测keff，适用于相似r值的其他复合材料。
在瞬态分析中，提高N减少了PCM完全熔化所需时间，但在恒定热流条件下熔化起始时间略有延迟。不同TPMS拓扑对热响应有显著影响，Diamond结构因高比表面积保持较低的温度不均匀性，Primitive-Schwarz则在纵向热导上表现最佳但温度分布较不均匀。引入的ΔTAl-PCM指数反映了铝骨架与PCM域间的平均温差，该值随N增加而升高，表明几何拉伸在加速熔化的同时增加了温度不均匀性。
讨论与结论部分指出，单轴几何重缩放可系统调控TPMS基C-PCM的热导率张量，低缩放水平即可获得显著增益，高缩放水平增益趋缓。热导率比值r决定了重缩放效果的强弱，低r材料（如有机PCM）受益最大。瞬态分析揭示了熔化加速与温度均匀性之间的权衡，Diamond结构在均匀性方面表现最优。研究提供了缩放水平、孔隙率与热导率之间的定量映射，明确了拓扑对热响应的依赖性，为定向热管理设计提供了可行途径。研究成果可直接应用于高热流密度但换热面积受限的场景，通过几何拉伸实现热量的高效定向输送。
