低溫真空下接觸界面間傳熱特性實驗與機理分析.pdf

1、在高溫超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域,利用GM制冷機的冷頭直接冷卻超導(dǎo)體,可以減小設(shè)備的體積、提高冷卻效率,并節(jié)省大量冷媒,降低了實現(xiàn)低溫環(huán)境的成本。由于在低溫或高熱流密度下,固體間的接觸熱阻會對界面熱輸運特性產(chǎn)生很大影響,因此降低接觸熱阻對提高冷卻效率起著非常關(guān)鍵的作用。另外,在半導(dǎo)體發(fā)光管(LED)散熱、航天器儀表熱控制等導(dǎo)熱作為熱量傳遞主要方式的領(lǐng)域,接觸熱阻的存在對熱傳遞過程影響很大,必須要加以考慮。影響界面接觸熱阻大小的因素較多,包括溫度、加載

2、壓力、表面粗糙度及兩側(cè)接觸材料的物性參數(shù)隨溫度變化等,因此不同樣品間的接觸熱阻一般靠實驗進行測定,當樣品的材料、測試環(huán)境變化時,之前得到的數(shù)據(jù)往往不能直接加以利用,所以造成目前許多材料間的接觸熱阻數(shù)據(jù)非常欠缺,特別是在低溫下的數(shù)據(jù)。
　　為此,根據(jù)激光光熱法(LaserPhotothermalMethod,LPM)測量原理,設(shè)計了一套樣品間接觸熱阻快速測量裝置,當測量溫度環(huán)境達到后,就可以在幾秒內(nèi)完成測量過程。選用無氧銅(Oxyg

3、en-FreeCopper,OFC)、AlN(AluminumNitride)陶瓷及SS304(StainlessSteel304)作為測試樣品,在70K-300K溫度區(qū)間內(nèi),在0.2MPa-0.75MPa下,測量了樣品間的接觸熱阻,并對接觸熱阻隨溫度變化趨勢進行了詳細分析。最后,對光滑處理界面下樣品間的接觸熱阻與兩側(cè)樣品的熱導(dǎo)率關(guān)系進行了分析。
　　論文主要工作和結(jié)論如下:
　　1)LPM方法是一種非穩(wěn)態(tài)測試方法,可以在較

4、短的時間內(nèi)完成整個測量過程,大大提高了測量效率。首先詳細介紹了LPM方法測量樣品間接觸熱阻和樣品熱擴散系數(shù)的原理,并設(shè)計了一套LPM測量實驗平臺,對測量系統(tǒng)的實驗裝置進行了介紹,并對系統(tǒng)漏熱進行了分析計算。然后強調(diào)了加熱激光調(diào)制頻率的選擇對測量精度的影響,并介紹了樣品的厚度選擇及機械加工方法,為得到可靠的測量信號,在樣品的加熱面和探測面分別進行鍍碳膜和鍍金膜處理。
　　2)給出了當利用LPM方法測量樣品間接觸熱阻和樣品熱擴散系數(shù)時

5、,針對不同樣品選用的調(diào)制頻率數(shù)值。進而測量了OFC、AlN陶瓷和SS304在30K-300K溫度區(qū)間內(nèi)的熱擴散系數(shù)值,發(fā)現(xiàn)在整個測量溫度區(qū)間內(nèi),OFC的熱擴散系數(shù)隨溫度升高而不斷減小,并且溫度越低熱擴散系數(shù)的變化速率越大。測量結(jié)果與已報道的數(shù)據(jù)非常接近,兩者間平均相對誤差為6.7％,說明LPM測量方法比較可靠。AlN陶瓷的熱擴散系數(shù)先隨溫度升高而增大,并在約70K時出現(xiàn)最大值(0.00135m2·s-1),而后隨溫度升高而減小。SS30

6、4的熱擴散系數(shù)也隨溫度升高而減小。從熱擴散系數(shù)的定義式出發(fā),分別解釋了這三種樣品的熱擴散系數(shù)出現(xiàn)上述變化趨勢的原因。
　　3)在70K-300K溫度區(qū)間內(nèi),在0.20MPa-0.75MPa下,利用LPM方法分別測量了OFC-OFC、AlN-AlN陶瓷和SS304-SS304間的接觸熱阻。其中OFC-OFC間的接觸熱阻隨溫度升高而不斷增大;AlN-AlN陶瓷間的接觸熱阻先隨溫度升高而不斷減小,而后再隨溫度的升高而不斷增大;SS304

7、-SS304間的接觸熱阻隨溫度升高而一直減小。上述三種同種材料間的接觸熱阻都會隨加載壓力的不斷增大而減小,在實驗條件下兩者間近似于直線關(guān)系。樣品表面粗糙度大小會明顯改變接觸熱阻值,并且溫度的改變不僅會影響兩側(cè)材料的物性參數(shù),還會影響界面的實際接觸面積大小。
　　4)在相同加載壓力下,對于不同材料樣品間的接觸熱阻,其中SS304-OFC和SS304-AlN陶瓷間的接觸熱阻都是隨溫度升高而不斷減小;OFC-AlN陶瓷間的接觸熱阻先隨著

8、溫度升高而減小,而后再隨溫度升高而增大,并且在低溫下的變化速率較大。在相同測量溫度下,加載壓力越大,上述三種組合間的接觸熱阻都會減小,并且兩者間近似于直線關(guān)系。對不同加載壓力下,樣品間的接觸熱阻與溫度變化間的關(guān)系進行擬合,可以較好地描述兩者間的關(guān)系。
　　5)在光滑處理表面相同加載壓力下,同種材料相接觸時,材料固有的導(dǎo)熱能力越強,那么樣品間的接觸熱阻也越小,如OFC-OFC間的接觸熱阻

9、SS304間的接觸熱阻。而不同材料相接觸時,接觸熱阻變化主要依賴于導(dǎo)熱能力較差的樣品,并與其熱導(dǎo)率的變化趨勢相反,如在相同溫度和加載壓力下,SS304-OFC間的接觸熱阻　　6)最后,分析了樣品間的接觸熱阻與其固有熱導(dǎo)率間的關(guān)系。對于同種材料件的接觸熱阻而言,在一定加載壓力下,材料的固