论文摘要
在高温超导技术领域，利用GM制冷机的冷头直接冷却超导体，可以减小设备的体积、提高冷却效率，并节省大量冷媒，降低了实现低温环境的成本。由于在低温或高热流密度下，固体间的接触热阻会对界面热输运特性产生很大影响，因此降低接触热阻对提高冷却效率起着非常关键的作用。另外，在半导体发光管（LED）散热、航天器仪表热控制等导热作为热量传递主要方式的领域，接触热阻的存在对热传递过程影响很大，必须要加以考虑。影响界面接触热阻大小的因素较多，包括温度、加载压力、表面粗糙度及两侧接触材料的物性参数随温度变化等，因此不同样品间的接触热阻一般靠实验进行测定，当样品的材料、测试环境变化时，之前得到的数据往往不能直接加以利用，所以造成目前许多材料间的接触热阻数据非常欠缺，特别是在低温下的数据。为此，根据激光光热法（Laser Photothermal Method，LPM）测量原理，设计了一套样品间接触热阻快速测量装置，当测量温度环境达到后，就可以在几秒内完成测量过程。选用无氧铜（Oxygen-Free Copper, OFC）、AlN （Aluminum Nitride）陶瓷及SS304（Stainless Steel304）作为测试样品，在70K-300K温度区间内，在0.2MPa-0.75MPa下，测量了样品间的接触热阻，并对接触热阻随温度变化趋势进行了详细分析。最后，对光滑处理界面下样品间的接触热阻与两侧样品的热导率关系进行了分析。论文主要工作和结论如下：1) LPM方法是一种非稳态测试方法，可以在较短的时间内完成整个测量过程，大大提高了测量效率。首先详细介绍了LPM方法测量样品间接触热阻和样品热扩散系数的原理，并设计了一套LPM测量实验平台，对测量系统的实验装置进行了介绍，并对系统漏热进行了分析计算。然后强调了加热激光调制频率的选择对测量精度的影响，并介绍了样品的厚度选择及机械加工方法，为得到可靠的测量信号，在样品的加热面和探测面分别进行镀碳膜和镀金膜处理。2)给出了当利用LPM方法测量样品间接触热阻和样品热扩散系数时，针对不同样品选用的调制频率数值。进而测量了OFC、AlN陶瓷和SS304在30K-300K温度区间内的热扩散系数值，发现在整个测量温度区间内，OFC的热扩散系数随温度升高而不断减小，并且温度越低热扩散系数的变化速率越大。测量结果与已报道的数据非常接近，两者间平均相对误差为6.7%，说明LPM测量方法比较可靠。AlN陶瓷的热扩散系数先随温度升高而增大，并在约70K时出现最大值(0.00135m2·s-1)，而后随温度升高而减小。SS304的热扩散系数也随温度升高而减小。从热扩散系数的定义式出发，分别解释了这三种样品的热扩散系数出现上述变化趋势的原因。3)在70K-300K温度区间内，在0.20MPa-0.75MPa下，利用LPM方法分别测量了OFC-OFC、AlN-AlN陶瓷和SS304-SS304间的接触热阻。其中OFC-OFC间的接触热阻随温度升高而不断增大；AlN-AlN陶瓷间的接触热阻先随温度升高而不断减小，而后再随温度的升高而不断增大；SS304-SS304间的接触热阻随温度升高而一直减小。上述三种同种材料间的接触热阻都会随加载压力的不断增大而减小，在实验条件下两者间近似于直线关系。样品表面粗糙度大小会明显改变接触热阻值，并且温度的改变不仅会影响两侧材料的物性参数，还会影响界面的实际接触面积大小。4)在相同加载压力下，对于不同材料样品间的接触热阻，其中SS304-OFC和SS304-AlN陶瓷间的接触热阻都是随温度升高而不断减小；OFC-AlN陶瓷间的接触热阻先随着温度升高而减小，而后再随温度升高而增大，并且在低温下的变化速率较大。在相同测量温度下，加载压力越大，上述三种组合间的接触热阻都会减小，并且两者间近似于直线关系。对不同加载压力下，样品间的接触热阻与温度变化间的关系进行拟合，可以较好地描述两者间的关系。5)在光滑处理表面相同加载压力下，同种材料相接触时，材料固有的导热能力越强，那么样品间的接触热阻也越小，如OFC-OFC间的接触热阻<AlN-AlN陶瓷间的接触热阻<SS304-SS304间的接触热阻。而不同材料相接触时，接触热阻变化主要依赖于导热能力较差的样品，并与其热导率的变化趋势相反，如在相同温度和加载压力下，SS304-OFC间的接触热阻<SS304-AlN陶瓷间的接触热阻<SS304-SS304间的接触热阻。利用ANSYS模拟了在稳态传热过程中，接触热阻值的变化对界面温差的影响。6)最后，分析了样品间的接触热阻与其固有热导率间的关系。对于同种材料件的接触热阻而言，在一定加载压力下，材料的固有热导率越大，则接触热阻值越小。在85K-280K的温度区间内，OFC-OFC间的接触热阻与其固有热导率之间呈指数关系变化；在75K-275K温度区间内，SS304-SS304间的接触热阻与其固有热导率间呈直线关系变化；而随着温度的升高，AlN-AlN陶瓷间的接触热阻与其固有热导率间的变化存在“回转现象”。OFC-SS304间接触热阻与其调和平均热导率之间呈乘幂关系；OFC-AlN陶瓷间的接触热阻与其调和平均热导率间呈指数函数。