传热学 微尺度ppt

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1、微米/纳米尺度传热学第一章绪论第一章绪论西安电子科技大学一、导言二、一些典型微热器件及其相应的热现象三、微器件中传热问题的尺寸效应四、微尺度传热学中的一些分析方法五、微尺度传热学的一些研究进展六、小结西安电子科技大学一、导言自然界各种物体的尺寸可以归纳为图1.1。图1.1自然界各种物体的尺寸一、导言以往研究得最多的是人类感官所能触及的对象，近几年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，人们的注意力逐渐转向那些发生在小尺度或快速过程中的现象及其相应器件上。其中微电子机械系统(MEMS)尤其取得了巨大成功。这类系统指的是那些特征尺寸在1mm以下但又大于1μm的器件，它

2、集电子及机械元件于一身，并要通过集成电路制造中所采用的批量加工方法制成。一、导言微电子机械系统的尺寸比氢原子直径大四个量级，比传统人造器械尺寸小四个量级，纳米器件进一步推进了微电子机械系统的小型化。微电子机械系统的影响遍及相当广泛的领域，如仪器、医疗、生物系统、机器人、设计、导航及计算机应用等。一、导言如今，认识到微电子机械系统的重要性的国家数目正在不断增加，我国也较早地投入了大量的人力物力开展这一学科的研究，并在纳米科学的某些领域，如定向碳纳米管阵型、一维纳米线等，取得了引人注目的成就。人们通常将微电子机械系统科学及纳米技术的起源归功于诺贝尔物理学奖获得者RichardFey

3、nman与1959年在美国物理学年会西海岸会议上宣读的一篇经典论文“There’sPlentyofRoomattheBottom”；之后他还发表了“InfinitesimalMachinery”。这两篇文章科学的预见了微米/纳米机械的许多重要特征。一、导言“纳米技术”的含义是指利用一些新技术，如激光束、离子束及电子束研磨，来完成的超精细材料加工技术，其定义可为“0.1~100nm尺度起关键作用的技术”。不难理解，所有微尺度科学中的一个共同特征是物质和能量的输运均发生在一个有限的微小结构内，而物质的输运和相互作用必然涉及到流动和能量的转换。据热力学第二定律可知，任何不可逆过程中能

4、量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的；此外，化学反应和相变过程中的任意分子重构也必然涉及到与周围环境的能量交换问题。一、导言因此，对于所有微电子机械系统的设计及应用来说，全面了解系统在特定尺度内的微机电性质及材料的热物性、热行为等已经成了迫在眉睫的任务。然而，目前的科学和工程水平尚无法做到这一步，于是现代热科学中的一门崭新学科——微米/纳米尺度传热学应运而生。早期的微尺度传热学研究主要集中在导热问题上，之后则扩展到辐射和对流问题。为说明微尺度传热学的主要研究内容，如下扼要地介绍一些典型例子，以开拓读者的思路，但其远远不能代表该学科的全貌，因为微尺度传热的内涵正不断扩展1、薄膜

5、中的热传导二、一些典型微热器件及其相应的热现象1987年，瑞士科学家发现YBa2Cu3O7陶瓷有高温超导性，人们第一次认识到，自然界存在一个超导体及半导体均可工作的温度范围，于是一种集超导体-半导体于一身的功能强大的复合器件应运而生。这些复合器件的基本单元是一种高温超导薄膜，其另一种潜在应用是作为液氮温区的测辐射热仪，此时超导薄膜充当一个辐射吸收器，而电阻温度计则成型到一个热沉上。测辐射热仪是具有卓越相应功能的红外辐射探测器，已经发现，高温超导测辐射热仪的噪声强度较之室温焦热电探测器小两二、一些典型微热器件及其相应的热现象个量级。所以，分析薄膜中的传热问题自然成为进一步提高仪器

6、性能的关键步骤。一系列的研究表明Fourier定律不适于分析高温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和厚度区域内的热传导问题。在这方面，Boltzmann方程被公认为是一种最具普适性和有效性的工具。Majumdar发展了一个基于Boltzmann理论的声子辐射输运方程，以分析单个薄膜中的导热。其研究表明，在微尺度区域内，晶格振动或声子的热传导表现为辐射传热的形式。二、一些典型微热器件及其相应的热现象总体上，用于分析微尺度材料中的热导率的方法基本分为三步：(1)找出反映材料电导率尺寸效应的合适表达式；(2)确定电导率中的平均自由程；(3)应用电学-热学输运比拟关系计算出热导率的尺寸效应。

7、2、颗粒和点结构二、一些典型微热器件及其相应的热现象这方面的两个典型例子是单晶及多晶。当晶体的单位元胞在三维空间内重复生成，并形成一种无任何周期间断或界面的宏观物体时，即称为单晶。然而，固体通常是以多晶形式出现的，它由称为颗粒的多个单晶组成，而各单晶簇又由称作颗粒边界的界面分隔开，界面对固体的机械、化学、电学及热学性质起着非常重要的作用。除颗粒边界外，晶体缺陷也强烈地影响固体的性质。对颗粒和点结构材料热物性的测量及其传热的研究，近几年来得到了广泛的关注。3、窄线及量子阱二、一些典型微热器件及