熱防護
關注創建者：zh_124724 創建時間：2016-12-04
熱防護的實例教程
▲圖1.沃爾沃設計的電池系統
Part 1 熱失控防護技術迭代
中國是最強調熱失控防護技術的國家，核心還是中國的企業特別多，應用領域也很分散，所以這個領域其實國內是走在世界前列的（燒的多了，自然也就成為一個顯性問題需要大家來克服）。
我的理解：
第一代熱失控防護方案：
對圓柱來說最簡單，特斯拉的設計結構是最為典型的，方形的難度更大已突破，軟包的實現難度難度最高。三種電池技術，都是圍繞加強隔熱，加快散熱為主要技術手段。通過單體釋放能量、單位散熱能力、周邊電芯隔熱能力等多維度定量分析。
?圓柱電池
這種設計的原則是通過一定的空間進行隔離，然后通過填充隔熱材料來充分把電芯熱失控條件下的熱量隔開。在熱失控傳播條件下，這種材料阻隔單個5Ah以上電芯散發出來的能量。
▲圖2.典型的21700圓柱熱隔絕的示意圖
在4680的時代，整個設計邏輯也是相似的，只不過按照調研的情況，電芯的開閥方向和我們之前理解的不一樣，是往下噴射，并且采用了隔熱材料防止用戶感知到會恐慌。CTC時代腳底下就是一層電池，所以需要隔熱材料進行防護。
▲圖3.電芯之間的空隙成了核心關鍵了
?方殼設計
其實每家的設計都是趨同的，分為電芯層面的隔絕、電連接的隔絕。
▲圖4.方殼模組熱設計示意圖
這一波使得做材料的廠家特別開心，如下圖所示，以3M為例，圍繞這套熱隔絕技術形成了一系列的譜系，你按著材料標號選就可以了。
后續類似杜邦、陶氏、BASF都可以玩得起來，我個人覺得這種堆材料解決問題的辦法增加的成本太多，和當前需要和特斯拉PK成本的，加這么多材料是按照千來算的。
展開 來源 | Advanced Materials
01
背景介紹
極端環境（如深空和深海）對氣凝膠材料的熱防護性能提出了更高要求：一方面，氣凝膠需兼具超低熱導率（< 20 mW m
-1K
-1）和優異力學性能（高剛性、高柔性、超彈性等）；另一方面，需突破低成本和易規模化的氣凝膠制備技術，也讓原本艱巨的任務變得更加困難。
02
成果掠影
近日，東華大學朱美芳院士團隊設計并構筑了“多孔磚和纖維”結構的仿貝殼納米復合氣凝膠（SCQs），通過在層狀纖維素納米纖維凝膠網絡中原位生長介孔無機礦物來實現。基于跨維度、跨尺度的結構適配工作原理，該有機無機納米復合SCQs在環境壓力干燥過程中具有快速結構回復能力，為氣凝膠材料的低成本規模化制備奠定基礎。制備得到的納米復合氣凝膠具有優異的抗壓性能，可以承受成人的壓力而不變形，即使在更大的應力下（1.6噸汽車碾壓），依然能夠恢復其原始形狀，同時具有優異的彎曲柔性以適應各種防護表面；另一方面，該氣凝膠具有優異的絕熱性能，熱導率值低至17.4 mW m-1 K-1，遠低于理想的絕熱體-靜止的空氣，與目前航天用隔熱材料-多層隔熱氈相比，不僅具有更優異的耐熱性能，而且在一個大氣壓或稀薄氣壓環境均具有更優異的隔熱性能。多方面綜合優勢使這一氣凝膠材料在航空航天、國防軍工以及智能電子熱防護領域具有極大的應用前景。
展開 3D打印材料廠商KEXCELLED參與了“小型空間樣品返回艙熱防護系統”項目。此系統用于近地軌道科學樣品或小行星采樣返回任務，起到保護返回艙在再入地球的過程中安全著陸作用。創新采用3D打印PEEK結構件，同時作為結構材料和熱燒蝕材料用于20kg級小型返回艙結構。滿足空間使用溫度、真空環境材料脫氣要求，并且能夠經受最大熱流100 W/cm2的苛刻考驗。
“小型空間樣品返回艙熱防護系統”利用PEEK 3D打印技術成本降低了70%，制造時間縮短了90%。采用的高層間結合力PEEK 3D打印線材，層間結合力最高能夠達到水平方向的88%，XY軸拉伸強度達到96MPa，Z軸方向拉伸強度最高達到85MPa。不僅能夠滿足航空航天結構件的要求，在骨科醫療、汽車、消費電子和5G領域也具備廣闊應用市場。
小天體探測任務對于中國的航天意義重大，對于3D打印行業來說，采用3D打印技術來制造返回艙的關鍵部件，既困難，又具有偉大的意義。這將證明國產的3D打印設備和材料，不僅在原型制造上面有相對優勢，在要求最高的航空航天領域的應用也并不落后。
今年的TCT展會，KEXCELLED將在現場展示返回艙的全尺寸工程樣件。
據悉中國的首顆小行星探測器計劃2022年5月在西昌發射。屆時搭載著3D打印返回艙的探測器將展開遙遠的太空之旅，踏足人類從未到過的空間，著陸小行星采集樣本并返回地球。預祝發射圓滿成功，“中國航天的征途是星辰大海”，人類對浩瀚宇宙地探索永不停滯，加油中國航天。
展開 檢測結果見表2，未噴涂區域的氧化皮厚度平均值為0.226mm，噴涂區域氧化皮厚度平均值為0.068mm，可見噴涂防護劑可以明顯減小鍛件表面氧化皮的厚度。
表2 熱處理前后典型位置厚度尺寸檢測結果 單位：mm
圖3 造型對比情況
圖4 縱剖面5個檢測位置
重復熱處理前噴涂防護劑對鍛件近表面脫碳層的影響
CrNiMoV鋼類鍛件熱加工過程中表面產生肉眼可見的氧化皮，由于氧化反應在鍛件近表面還會形成一層脫碳層，脫碳層的組織與鍛件本體的組織有差異。鍛件表面噴涂的防護劑具有防氧化的作用，為了定量分析防護層的防氧化作用，在重復熱處理后的鍛件噴涂和未噴涂區域分別切取1個試樣，檢測脫碳層的厚度。取樣示意圖見圖5，其中1#試樣位于噴涂區域，2#試樣位于未噴涂區域。采用金相法對試樣軸向表面和徑向表面脫碳層進行檢測，檢測結果見圖6，脫碳層厚度最大值為0.71mm，檢測結果顯示軸向表面脫碳層最大厚度比徑向表面脫碳層最大厚度大0.19mm，未噴涂區域的脫碳層最大厚度比噴涂區域的大0.2mm。
圖5 脫碳層厚度檢測取樣示意圖
圖6 脫碳層厚度檢測結果
試驗結果表明：噴涂防護層的區域脫碳層厚度小于未噴涂的區域，防護劑有一定的防氧化能力。綜合考慮氧化皮和脫碳層厚度，噴涂防護劑的區域氧化深度比未噴涂區域小0.3mm，另外未噴涂區域的輪緣發生了軸向翹曲，翹曲變形值為1.36mm，噴涂區域輪緣翹曲變形量為0.27mm。因此未噴涂鍛件的余量需不小于2.45mm，噴涂防護劑的鍛件余量需不小于1.01mm。
展開 Ansys熱應力分析可使電池包散熱板開裂風險降低30%、熱失控預警時間提前8分鐘，構建全周期安全防護體系，技術鄰依托資深師資團隊打造的定制培訓，能讓企業工程師快速掌握這套核心防護技術。
新能源汽車電池包的熱應力安全問題，是制約行業發展的關鍵瓶頸。電池包在充放電、高溫環境及熱失控初期均會產生顯著熱應力，若管控不當，極易引發殼體破裂、電芯擠壓短路等嚴重安全隱患。技術鄰服務20+新能源頭部企業的實戰經驗顯示，電池包熱應力相關故障中，正常工況下的散熱板開裂占比23%，熱失控初期的殼體破裂占比35%，而Ansys熱應力分析可針對性構建全周期防護體系。更重要的是，技術鄰通過定制培訓，將這套前沿技術轉化為工程師的實操能力，其師資力量堪稱行業標桿——講師團隊均具備10年以上Ansys仿真經驗，且持有Ansys官方認證資質，深度參與過電池包熱安全項目，能精準對接企業實際需求。
在正常工況的熱應力管控中，快充場景的熱堆積問題尤為突出。電池包快充時，電芯因焦耳熱溫度從25℃快速升至50-60℃，鋼質散熱板與鋁合金電芯的熱膨脹系數差異達1.8倍，極易引發接觸熱應力，形成“熱應力升高-散熱失效-溫度驟升”的惡性循環。Ansys通過兩大核心手段破解這一難題：一是材質匹配驗證，通過仿真對比鋼質、鋁合金、鎂合金三種散熱板材質的應力分布，最終選定鋁合金材質，使接觸應力從180MPa降至117MPa；二是整體應力優化，在殼體螺栓處增加硅膠緩沖墊片，將局部應力降低30%，徹底避免殼體變形開裂。同時，Ansys可精準模擬不同充放電倍率下的熱應力變化，1C倍率充電時熱應力值為90MPa，2C快充時增至150MPa，為液冷系統調控提供精準數據支撐。這些實操技巧，正是技術鄰培訓的核心內容，講師會以企業真實電池包模型為案例，手把手指導學員完成材質選型、應力優化的全流程仿真操作。
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i防護熱i和古鱷同日法國入戶突然5個月前
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某儲能企業學員在培訓后，針對電池組熱失控蔓延問題向講師咨詢優化方案，通過售后輔導，成功將電池組熱失控蔓延時間從2分鐘延長至10分鐘，熱防護方案落地后，企業儲能系統安全事故率降低80%。技術鄰原創培訓數據顯示，定制化培訓的知識吸收率比通用培訓高42%，學員滿意度達95%以上，真正實現“培訓即解決問題，學習即創造價值”。
企業培訓聯系人手機號：18602195606
其一，一對一定制服務貫穿全程：培訓啟動前，專屬專員與企業技術負責人進行2-3輪深度溝通，明確產品類型（如機械框架、新能源電池包）、研發痛點（如熱疲勞失效、熱失控防護）及培訓目標（如獨立完成仿真項目、輸出優化方案），結合企業實際工況定制課程內容。數據顯示，這種定制化方案使知識吸收率比通用培訓高42%，遠超行業平均水平。
當單電芯因內短路發生熱失控時，溫度會在10-15秒內從常溫驟升至300℃以上，無防護狀態下熱失控蔓延時間僅3分鐘。
某新能源車企工程師因項目需求，需在2周內完成電池包熱失控防護仿真，通過技術鄰“線上直播+實時答疑”的學習模式，不僅按時掌握核心技能，還獨立輸出優化方案，使電池包熱相關故障率降低60%，獲得客戶高度認可，個人也因項目出色表現獲得公司晉升機會。
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Fluent不斷升級迭代熱失控模型和多種參數擬合方式，通過仿真手段優化電池熱防護系統設計，提高安全標準。
Rapid-Octree網格劃分基于八叉樹結構，具備自動化程度高、并行效率極高、對復雜CAD幾何高度容忍等特點。它可快速生成高質量多面體網格，適用于復雜工程問題的快速前處理與仿真準備。
該研究對航空熱防護及生物醫用仿生植入體等功能化結構具有重要價值。本案例介紹在ABAQUS內建立三維梯度功能材料多孔結構模型，并對梯度結構模型進行軸心受壓力學仿真模擬。
三維梯度孔隙結構模型采用CAD球體功能梯度材料3D插件建立，模型建立完成后將梯度孔基體部分導出為iges格式。
東南大學機械工程學院擁有百余年的發展歷程，培養了丁衡高等16位兩院院士，擁有微納設計與制造重點實驗室、GF高速飛行器結構與熱防護重點實驗室、智能電動運載裝備工程研究中心、高檔數控機床及智能裝備制造業創新中心等研究平臺，科研實力雄厚，校企成果顯著。
天洑軟件自2011年成立以來堅持代碼自主可控的自研道路，堅持核心求解器自主研發。
