界面传热热阻实验研究

界面传热热阻实验研究

摘要随着航空航天、核能、低温与微电子技术的发展，接触热阻对于传热的影响吸引了越来越多的研究者的目光。文章主要采用实验的方法，以稳态测试法测量在不同接触材料、接触表面粗糙度、接触压力、热界面材料情况下材料的接触热阻，分析归纳实验数据与计算结果结果，定性地得到接触材料、接触表面粗糙度、接触压力、热界面材料等不同因素对于接触热阻的变化规律。

由实验测试结果，可以得到以下结论：1、固固接触界面热阻是普遍存在的，且对于传热有着不可忽视的影响；2、随着接触压力的逐渐增大，接触热阻逐渐减小。这种减小是非线性的，接触压力越大，减小的幅度越小；3、接触热阻的滞后效应是存在的，即对试件进行加载与卸载不同操作时，相同压力的情况下，卸载时的接触热阻小于加载时的，加载历史对于接触热阻的影响是不可忽视的；4、在固固接触界面之间添加

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导热性能优良的热界面材料，能够有效地降低接触热阻的值，对于导热性能的提升具有显著的作用。9198

关键词接触热阻稳态测试法接触压力热界面材料

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleExperimental study of interfacial thermal resistance Abstract

With the development of the aerospace, nuclear energy, low temperature and microelectronic technology，contact resistancehas attracted the attention of a growing number of researchers.The article mainly uses experimental methods to study the impact of different factors for the thermal contact resistance, such as materials, contact pressure, interface materials, temperature, surface roughness.Analyzed and summarized the results of experimental data and calculated results,qualitatively get variation of different factors to the contact resistance.

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（2）

我们将式中的R称为热阻，℃/W。

考虑两个侧表面良好绝热的金属柱体相接触，我们可以发现，在接触面的两侧产生了温度的跃变，如图1.1所示。这是由于端面不是绝对平而有微观不平度,所以实际能接触仅仅是部分离散的点和微小的面积，其周围则是充满空气或其它介质的微观间隙。这些介质导热率一般均小于金属导热率，使得热流在接触点两侧先收缩后扩张，而在非接触区先扩张，通过介质后再收缩[2]，如图1.2所示。故而在接触的界面上导热性能发生急剧下降，产生温度的突变。我们将接触界面两侧的温度差Δt与流经接触面的平均热流密度q之比，定义为接触热阻rc[3]。

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1．2工程背景与发展历史

接触热阻最早是在1941年由前苏联科学家卡皮查(Kapitza)在测量固体和液氦的界面温差时发现的[4]。之后，随着低温工程、航空航天、核能利用等科技领域的不断发展，接触热阻对于导热性能的影响越发凸显，尤其是随着微电子技术的迅速发展，电子元器件集成化几何式的增长，单位面积发热量严重影响了元器件的性能与可靠性，散热成为了该领域发展的瓶颈。接触热阻主要应用领域与发展历史可参考图1.3.因此，对于接触热阻的研究有着重要的意义。

在1963到1970年间，关于接触热阻研究的几个不同方向得到发展。例如由平坦粗糙表面所形成间隙的接触热阻的数学模型、光滑不平坦接触表面形成的接触热阻的模型、粗糙不平坦接触表面形成的接触热阻的模型、关于热流收缩的模型等被建立起来，测量焊接处接触热阻的方法也被提出了。

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一般认为粗糙表面是个随机过程，整体粗糙度符合高斯分布，局部则为随机分布。主要的表面形貌模型有四种：1）GW（Greenwood-Williamson）模型，即经典弹性接触模型。这一模型主要适用于两个弹性表面的接触，一个为粗糙表面，另一个为光滑表面；2）CMY（Cooper-Mikic-Yovanovich）模型[8]。这是一个用以预测真空中吻合粗糙表面接触热阻的分析模型3）BGT（Bush.Gibson.Thomas）模型。它将凸峰顶部的形状描述为椭圆型抛物线状，其主轴方向和轴长比都是随机的；4）BGK（Bush.Gibson.Keogh）模型。它认为凸峰的方向不变，即椭圆形接触点具有不同的大小和轴长比，但主轴都垂直于基准方向。

描述表面微凸峰由于弹性变形、塑性变形及弹塑性变形对界面热阻的作用机理模型，即凸峰形变模型主要有[9]：Bush, Gibson等提出的粗糙表面的弹性接触模型；Sridhar,Yovanovich等提出的弹塑性接触模型；

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Nayak等提出的主要适用于塑性粗糙表面静接触的粗糙表面稳态随机过程模型。Yovanovich在以上模型的基础上，对CMY模型作了修正与扩展，使其适用于更广泛的粗糙度和接触压力。引人当量热流通道[10]概念,把接触面上的接触热阻等效为多个当量热流通道上形成的接触热阻并联而成,由此求出整个面上的接触热阻。Leung等从统计热力学出发，把表面凸峰与统计热力学中的粒子进行类比研究接触热阻。不同于传统的基于统计理论的模型，Majumdar等提出用分形方法描述接触界面，并提出了M-T分形网络模型。

随着ANSYS等商用软件的发展，利用有限元法对于接触热阻的计算机数值模拟的研究也得以不断推进。由于文章重点在于接触热阻的实验研究，因此关于数值模拟方面的内容在这里并不展开，具体的处理方法与研究成果可以参考文献[11][12]。

实验时，将筒体内部抽真空，对试件一端加热一端冷却。由于金属试件由多层防辐射屏包裹，筒体内环境近似为真空，因此其侧表面的散热可以忽略。由此

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可以将传热过程看作一维导热处理，即单个试件上的温度分布近似为线性分布。通过分布在试件侧表面的热电偶，我们可以得到各测点（l11,l12,l13,l21,l22,l23）的温度值（t11,t12,t13,t21,t22,t23）。将温度值与测点位置相对应,采用最小二乘法，线性拟合得到[16]： 界面传热热阻实验研究(4):

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