固体界面间接触导热的机理和应用研究2000.pdfVIP

2000 年第 4 期 低 　温 　工 　程 No 4 　2000 总第 116 期 CRYOGENICS Sum 　No 116 固体界面间接触导热的机理和应用研究 赵兰萍 　徐 　烈 　李兆慈 　孙 　恒 (上海交通大学动力与能源工程学院　上海 　200030) 　　摘 　要 　固体界面间的接触导热在许多高技术应用场合具有重要的应用背景 。 从接触热阻的形成机理出发 , 概述了接触导热机理研究的发展过程 , 论述了应用研 究的内容和现状 , 提出了几种增加和减小接触热阻的方法 , 并指出了进一步研究的 方向。 主题词 　接触导热 　机理研究 　应用研究 1 　前 　言 在当前众多的高技术应用中, 经常涉及到小冷量 (毫瓦级) 电子器件的冷却与加热 、高 能热流密度的冷却 、高效绝热结构的安置等应用场合 。而这些场合的冷却或绝热效果主要取 决于固体界面间的接触热阻。如大规模集成电路芯片的散热 , 卫星探测器中红外元件的冷 ( ) 却 、辐射制冷器与探测元件之间的热耦合 、杜瓦 或制冷机 与负载的耦合以及恒温控制中 对某些微元器件的加热等都是通过固体接触导热实现的; 另外 , 对于空间站和通讯卫星等宇 航器的电力和能源系统 , 由于受尺寸和重量的限制 , 要求具有很高的能量密度 , 但为了保证 其温度适中 , 必须具有低热阻的散热通道 。在未来的空间站 , 也将有类似结构将高达 100 kW 的热量传出。固体界面间的接触热阻还是制冷机直接冷却超导电气系统的关键技术 。而 对于一些高效绝热设备 , 我们则希望通过增大固体界面间的接触热阻来提高绝热效果 。 研究分析表明 , 接触导热是一个受材料热物性 、材料机械特性 、材料表面性质 、表面粗 糙度及负载 、温度 、介质和环境等众多因素影响的非线性问题 。这一问题的研究涉及到粗糙 表面的微观描述 、材料的形变理论 、接触导热等多个领域 。由于材料的广泛性和应用环境的 复杂性 , 通过试验测出每种材料在各种环境下的接触热阻是不现实的。深入研究接触热阻的 形成机理 , 从理论上探求接触热阻的影响因素 , 并根据应用场合的需要展开接触导热的应用 研究 , 达到预测 、增加或减小接触热阻的目的 , 是制冷 、低温 、航天 、机械和电子等领域中 有待解决的问题之一 。 本文于 2000 年 4 月 9 日收到 。赵兰萍 , 女 , 33 岁 , 博士生 。 30 低 　温 　工 　程 2000 年 2 　接触导热的机理研究 研究表明, 即使两固体界面接触压力达 10 MPa , 实际接触面积仅 占名义面积的 1 %～ 2 % , 当热流通过界面时 , 这种接触的不完全性导致了热流的收缩 , 从而产生了接触热阻。 分析接触导热的机理 , 其理论研究包括粗糙表面的微观形貌分析 、固体材料的微观形变 分析及接触导热分析三个方面 。上述三方面中任何一个的发展都会对接触导热的研究产生深 刻的影响 。 21 　粗糙表面的微观形貌分析 接触热阻的理论模型是粗糙表面形貌模型、形变模型和导热模型的组合 。不同接触热阻 的模型的本质区别在于对表面形貌的处理 。 可以说 , 195