低溫固－固接觸界面熱傳輸研究

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1、華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日II華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文1緒論1.1學(xué)科和工程背景自從Fourier（1822年）時(shí)代，通過勻質(zhì)材料以及各相同性材料的熱傳導(dǎo)已經(jīng)獲得了深入地認(rèn)識，如合金對降低金屬熱導(dǎo)率的效應(yīng)已被很好的用于地低溫工作材料的選擇上，微觀的金屬性態(tài)的知識在重返大氣層的熱屏材料的發(fā)展已是極為重要的。然而，對接觸界面間的熱傳輸，尤其是低溫接觸界面間的熱傳輸，到現(xiàn)在為止，仍然處于不斷的探索之中。在很多情況下，為了提高器件的可靠性和延長器件的使用壽命，通過接觸界面的熱

2、傳輸率應(yīng)該清楚地知道并加以控制。熱接觸傳導(dǎo)在下列情況下是非常重要的：電子器件和電子系統(tǒng)的可靠性直接與設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行溫度相關(guān)，隨著電子設(shè)備的集成度的增加，電子器件的熱密度已經(jīng)達(dá)到了100W/cm2，從如此高的熱密度芯片中取出熱量；空間衛(wèi)星、航天系統(tǒng)的熱控；超導(dǎo)器件的冷卻。另外，在很多情況下對增加效率的追求就意味著，器件需要經(jīng)受更高的溫度和更快的傳熱交換率，這種快速的熱交換率使用需求，也需要良好的熱接觸傳導(dǎo)。在低溫工程中，像超導(dǎo)冷卻，尤其是高溫超導(dǎo)制冷機(jī)直接冷卻改變傳統(tǒng)的冷卻方式為，主要靠超導(dǎo)材料與金屬等其他材料(如銅、氮化

3、鋁等)固體間的接觸熱傳導(dǎo)冷卻方式。在超導(dǎo)制冷機(jī)直接冷卻系統(tǒng)中，制冷機(jī)冷頭與電絕緣墊片之間、電絕緣墊片與電流引線之間都采用接觸熱傳導(dǎo)的方式（于是存在接觸界面熱阻）。高效超導(dǎo)系統(tǒng)直接冷卻的實(shí)現(xiàn)，必須解決由電流引線、高熱導(dǎo)電絕緣墊片和制冷機(jī)冷頭形成冷鏈的熱效率。盡管可以采用HTS二元電流引線降低了沿電流引線的漏 熱，但由于在冷鏈的接觸界面存在接觸熱阻(電阻)，當(dāng)電流通過接觸界面時(shí)就會產(chǎn) 生大量的焦耳熱。在工程應(yīng)用中，由于低溫界面熱阻(電阻)引起的焦耳熱幾乎占總 漏熱的1/3~1/2，而且也是超導(dǎo)電流引線發(fā)生失超的主要根源之一。

4、因此，減小和 控制低溫界面熱阻(電阻)是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)系統(tǒng)直接冷卻的技術(shù)關(guān)鍵[1]。再如，衛(wèi)星圖像系統(tǒng)的焦平面探測器陣列，只能有效地運(yùn)行在狹小的低溫空間內(nèi)，運(yùn)行溫度的準(zhǔn)確預(yù)測需要準(zhǔn)確的熱傳遞模型，限制熱傳遞的主要限制參數(shù)也是接觸界面熱阻，像金屬螺栓連接處的接觸界面熱阻[2]。本課題選擇研究的著眼點(diǎn)和直接應(yīng)用背景是低溫固――固接觸界面間的熱傳遞的最佳熱耦合科學(xué)問題。固――固熱接觸傳導(dǎo)（接觸界面熱阻）的配置形式通常是，兩固體通過壓力或者其它連接形式連接在一起，當(dāng)熱流從連接固體的一側(cè)通過接觸界面流向另一1華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文側(cè)時(shí)

5、，溫度在接觸界面處產(chǎn)生跳變（也既界面溫差），它們可以用圖1-1來表示，圖中q為熱流通量，T為溫度。界面接觸溫差與通過界面的熱流通量成比例，這個(gè)比例常數(shù)稱為――接觸界面熱導(dǎo)，接觸界面熱導(dǎo)的倒數(shù)稱為接觸界面熱阻。qcontactinterfaceT△TPosition圖1-1接觸界面熱傳遞熱流溫差示意圖根據(jù)圖1－1，接觸界面熱阻Rc可用1-1式表示?TRc q=（1－1）接觸界面熱阻，有時(shí)也被稱為接觸熱阻，或者邊界熱阻。在我們所參考的英文中接觸界面熱阻主要有以下幾種提法：thermalboundaryresistance[3

6、,4,5],thermal contactresistance[6,7,8],thermalconstrictionresistance[9]，thermalinterface resistance[10,11]?，F(xiàn)代尖端科技和高新技術(shù)的發(fā)展，納米技術(shù)的興起導(dǎo)致了精密制造、微尺度 傳熱等研究新領(lǐng)域的出現(xiàn)，它也滲透到低溫工程學(xué)科。近年來，在國際上誕生了微(納諾)低溫工程學(xué)(Micro-Nanocryogenics)，它是一個(gè)內(nèi)容豐富而又引人入勝的新領(lǐng)域、是新的學(xué)科增長點(diǎn)和科學(xué)研究前沿。由于低溫工程中的固――固接觸界面不是理

7、想的光滑接觸平面，接觸界面區(qū)域的熱載子傳輸會受到宏觀的、微觀的各 種機(jī)制的影響，而不同于塊材中的熱傳輸，對低溫固――固接觸界面間的熱傳輸（接觸界面熱阻）的深刻理解需要微(納諾)低溫工程學(xué)的相關(guān)理論。同時(shí)對低溫 固――固接觸界面熱阻的研究也將豐富微(納諾)低溫工程學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，促進(jìn)微(納 諾)低溫工程學(xué)的發(fā)展。現(xiàn)代低溫接觸熱傳輸技術(shù)也是超導(dǎo)電力科學(xué)研究和開始應(yīng)用的前提條件之一。研究相關(guān)的低溫?zé)崃W(xué)、低溫傳熱學(xué)、低溫工程學(xué)等問題是發(fā)展超導(dǎo)電力系2華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文統(tǒng)的重要保證。因此，有必要運(yùn)用低溫?zé)崃W(xué)和微結(jié)構(gòu)低溫工程

8、學(xué)的觀點(diǎn)研究超導(dǎo)系統(tǒng)中由于接觸熱傳輸帶來的不穩(wěn)定性，并研究低溫界面熱阻和最佳熱耦合機(jī)制，在此基礎(chǔ)上提高超導(dǎo)電力系統(tǒng)的冷卻效率和可靠性，揭示超導(dǎo)電力系統(tǒng)直接冷卻的接觸傳熱新機(jī)理，解決其關(guān)鍵技術(shù)。這些研究工作，也將對空間衛(wèi)星最佳接觸熱耦合技術(shù)、大規(guī)模集成電路熱控與強(qiáng)激光冷卻技術(shù)等高新領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和重大的應(yīng)