面向传热调控的三周期极小曲面结构‑相变材料复合材料优化与筛选

相变材料（PCMs）因潜热高、相变温度波动小、热稳定性优异，是热能存储系统的理想候选材料。但其本征热导率偏低，这一关键短板严重制约了其工程实际应用。本研究通过隐函数法构建了三种三周期极小曲面（TPMS）构型：金刚石型（Diamond）、基本型（Primitive）与螺旋型（Gyroid）。采用数值模拟方法，以固液界面演化、温度分布、平均对流换热系数及总熔化时间为关键指标，针对TPMS构型、孔隙率与孔隙梯度开展了TPMS‑相变材料复合体系的结构优化研究。模拟结果表明，金刚石型TPMS‑相变材料的传热性能最优，其总熔化时间较螺旋型、基本型分别缩短8.7%与3.8%。正孔隙梯度结构的性能优于均匀结构与负孔隙梯度结构，平均对流换热系数最大提升8.1%。可视化实验显示，纯石蜡的总熔化时间为2179 s；得益于TPMS骨架优异的导热能力，TPMS‑相变材料的熔化速率大幅提升，其中金刚石型结构总熔化时间仅320 s，较纯石蜡缩短85.3%。此外，孔隙率与孔隙梯度的协同调控可进一步加快相变材料熔化，达到固液相变温度的时间最大缩短20.5%。本文建立的 TPMS 热优化方法可为多孔相变复合材料的参数优化提供支撑，为其工程化制备与高效热管理设计提供指导。