粗糙表面接触热阻的理论与实验研究 1997.pdf

第31 卷第 1 期 ( 自然科学版) №1 Vol. 31 1997 年 1 月 Journal of Zhejiang University (Natural Science) Jan. 1997 ¹ 应　济　贾　昱　陈子辰　高承煜 (浙江大学机械系, 杭州, 31 27) 　　本文分析了两固体粗糙 面接触热阻的机理, 用统计数学和接触力学的方法推导出粗糙 面接 触热阻的理论计算公式, 并用实验进行了验证. 结果 明:理论计算结果和实验结果吻合良好. :粗糙 面; 接触热阻 :TK123 　引　言 　　机械系统中接触传热现象极为普遍. 当热流通过接触面时, 会受到一个由于接触而引起的 附加阻力, 即接触热阻. 接触热阻、系统温度分布和结构热态特性之间存在着耦合的作用关系, 因此研究接触热阻对深入了解机械热特性有着十分重要的意义. 不仅如此, 接触热阻还大量存在于其它场合, 其研究和应用也就遍及这些技术领域, 如微 电子、核反应堆、热能开发和利用、新型材料的研究等. 1　接触热阻的机理和研究现状简介 任何工作 面, 从亚微观角度来说总是粗糙的. 当两 面相互接触时, 实际上固体和固体 的直接接触只能发生在一些离散的点或微小的面积上, 而其余大部分则是空气或其它介质. 热 流经过接触面时, 主要传热方式有: (一) 接 触固体间的热传导; (二)通过间隙介质的热 传导. 由于间隙介质的导热系数与固体导热 系数一般相差很大, 因而引起接触面附近热 流发生改变(见图1) , 形成对热流的附加阻 力, 即接触热阻. 当一定的热流通过接触面 图1　接触面附近热流变化 时, 两接触 面之间会出现一个间断的温差 ¹ 浙江省自然科学基金资助 本文于 1995 年3 月收到　应　济: 男, 1964 年出生, 博士后 1 : 15 $ TC , 接触热阻RC 定义为$ T C 和接触面上平均热流密度q 之比: $ TC R C = ( 1) q 　　影响接触热阻的因素很多, 主要有以下几个方面: 接触材料的特性参数和力学性能:接触 面形貌特征; 接触面压力; 间隙介质性质等. 经过几十年大量的理论和实验研究, 人们逐步掌握了一 些接触热阻的定量计算方法. 早期的理论研究通常是在许多 假定的前提下, 建立计算模型并解出其温度分布, 得到经验 计算公式. 采用的模型不同, 得到的公式和计算精度也各不 相同. 文献[2] 中采用了单点接触的圆盘模型( 图2) , 接触热 阻计算公式为: Anum RC = f ( E) ( 2) S PaK 3 5 f (E) = 1 - 1. 4 918E+ . 338 1E + . 6792E + … ( 3) 其中, Annm 为名义接触面积; 1 1 1 = + 　　　K1, K2 为接触材料热导率 图2　单点接触圆盘模型 KS K1 K2 a E= ;　　　D → b