低温固－固接触界面热传输研究

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1、华中科技大学博士学位论文学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日II华中科技大学博士学位论文1绪论1.1学科和工程背景自从Fourier（1822年）时代，通过匀质材料以及各相同性材料的热传导已经获得了深入地认识，如合金对降低金属热导率的效应已被很好的用于地低温工作材料的选择上，微观的金属性态的知识在重返大气层的热屏材料的发展已是极为重要的。然而，对接触界面间的热传输，尤其是低温接触界面间的热传输，到现在为止，仍然处于不断的探索之中。在很多情况下，为了提高器件的可靠性和延长器件的使用寿命，通过接触界面的热

2、传输率应该清楚地知道并加以控制。热接触传导在下列情况下是非常重要的：电子器件和电子系统的可靠性直接与设备的实际运行温度相关，随着电子设备的集成度的增加，电子器件的热密度已经达到了100W/cm2，从如此高的热密度芯片中取出热量；空间卫星、航天系统的热控；超导器件的冷却。另外，在很多情况下对增加效率的追求就意味着，器件需要经受更高的温度和更快的传热交换率，这种快速的热交换率使用需求，也需要良好的热接触传导。在低温工程中，像超导冷却，尤其是高温超导制冷机直接冷却改变传统的冷却方式为，主要靠超导材料与金属等其他材料(如铜、氮化

3、铝等)固体间的接触热传导冷却方式。在超导制冷机直接冷却系统中，制冷机冷头与电绝缘垫片之间、电绝缘垫片与电流引线之间都采用接触热传导的方式（于是存在接触界面热阻）。高效超导系统直接冷却的实现，必须解决由电流引线、高热导电绝缘垫片和制冷机冷头形成冷链的热效率。尽管可以采用HTS二元电流引线降低了沿电流引线的漏 热，但由于在冷链的接触界面存在接触热阻(电阻)，当电流通过接触界面时就会产 生大量的焦耳热。在工程应用中，由于低温界面热阻(电阻)引起的焦耳热几乎占总 漏热的1/3~1/2，而且也是超导电流引线发生失超的主要根源之一。

4、因此，减小和 控制低温界面热阻(电阻)是实现超导系统直接冷却的技术关键[1]。再如，卫星图像系统的焦平面探测器阵列，只能有效地运行在狭小的低温空间内，运行温度的准确预测需要准确的热传递模型，限制热传递的主要限制参数也是接触界面热阻，像金属螺栓连接处的接触界面热阻[2]。本课题选择研究的着眼点和直接应用背景是低温固――固接触界面间的热传递的最佳热耦合科学问题。固――固热接触传导（接触界面热阻）的配置形式通常是，两固体通过压力或者其它连接形式连接在一起，当热流从连接固体的一侧通过接触界面流向另一1华中科技大学博士学位论文侧时

5、，温度在接触界面处产生跳变（也既界面温差），它们可以用图1-1来表示，图中q为热流通量，T为温度。界面接触温差与通过界面的热流通量成比例，这个比例常数称为――接触界面热导，接触界面热导的倒数称为接触界面热阻。qcontactinterfaceT△TPosition图1-1接触界面热传递热流温差示意图根据图1－1，接触界面热阻Rc可用1-1式表示∇TRc q=（1－1）接触界面热阻，有时也被称为接触热阻，或者边界热阻。在我们所参考的英文中接触界面热阻主要有以下几种提法：thermalboundaryresistance[3

6、,4,5],thermal contactresistance[6,7,8],thermalconstrictionresistance[9]，thermalinterface resistance[10,11]。现代尖端科技和高新技术的发展，纳米技术的兴起导致了精密制造、微尺度 传热等研究新领域的出现，它也渗透到低温工程学科。近年来，在国际上诞生了微(纳诺)低温工程学(Micro-Nanocryogenics)，它是一个内容丰富而又引人入胜的新领域、是新的学科增长点和科学研究前沿。由于低温工程中的固――固接触界面不是理

7、想的光滑接触平面，接触界面区域的热载子传输会受到宏观的、微观的各 种机制的影响，而不同于块材中的热传输，对低温固――固接触界面间的热传输（接触界面热阻）的深刻理解需要微(纳诺)低温工程学的相关理论。同时对低温 固――固接触界面热阻的研究也将丰富微(纳诺)低温工程学的相关内容，促进微(纳 诺)低温工程学的发展。现代低温接触热传输技术也是超导电力科学研究和开始应用的前提条件之一。研究相关的低温热力学、低温传热学、低温工程学等问题是发展超导电力系2华中科技大学博士学位论文统的重要保证。因此，有必要运用低温热力学和微结构低温工程

8、学的观点研究超导系统中由于接触热传输带来的不稳定性，并研究低温界面热阻和最佳热耦合机制，在此基础上提高超导电力系统的冷却效率和可靠性，揭示超导电力系统直接冷却的接触传热新机理，解决其关键技术。这些研究工作，也将对空间卫星最佳接触热耦合技术、大规模集成电路热控与强激光冷却技术等高新领域的发展具有重要的科学意义和重大的应