低温下Cu-Cu固体间界面热阻的激光光热法研究

以GM制冷机(20K/5W)作为冷源,用激光光热方法对低温下Cu-Cu固体接触界面热阻进行了测量。实验数据表明,在一定的压力(3.0 kPa)和温度范围(20~120 K)内,Cu-Cu接触界面热阻从2.445×10-2m2.K/W减小至3.022×10-3m2.K/W,同时,在一定的温度(80 K)和压力范围(3.0 kPa~0.32 MPa)内,界面热阻从5.547×10-3m2.K/W减小至2.876×10-4m2.K/W。从微尺度的角度对该变化规律进行了机理分析。     

调制光热法低温接触界面层热阻研究

选择航天器和低温工程中常用金属材料铜、不锈钢,用激光光热法原理,研究低温接触界面层热阻.实验得到了铜在常温下的调制频率与相位差间的实验数据,通过对实验数据的线性拟合得到了铜的热扩散系数,以及铜-不锈钢在300K和20 K低温下的接触界面层热阻.实验表明调制光热法能够测量具有微结构特征的接触界面层热阻,且具有非接触测量的特点.     

直接冷却中氮化铝与无氧铜低温真空接触热导的实验研究

以5W／20K小型G-M制冷机为冷源,对低温下氮化铝（AlN）与无氧铜（OFHC）界面的接触热导进行了实验研究和分析。在45～140K内,氮化铝／无氧铜界面接触热导随温度的升高而增大,同时亦随接触压力的增加而增大。实验中同时得到了氮化铝在低温下的热导率,随温度的升高,氮化铝热导率值逐渐增大。就氮化铝低温热导率及氮化铝／无氧铜接触界面热阻随温度变化规律进行了微结构机理分析。     

真空低温下螺钉压紧的Cu-Cu界面间接触热阻的实验研究

为满足航天器热控设计的需要,实验测量了真空条件下接触面温度110 K时螺钉压接的Cu-Cu界面间的接触热阻,比较了不同的螺钉预紧力矩以及不同的导热填料对接触热阻的影响。实验数据表明,界面接触热阻随着螺钉预紧力矩增大成一阶指数衰减,导热填料为铟箔时界面热阻显著的减小,接触热阻最低可以达到2.0×10-5K.m2/W。     

真空低温环境导热填料界面接触热阻实验研究

真空低温环境下,接触热阻对热传递有十分重要的影响。根据接触热阻产生机理和实验测试原理,建了一套真空低温环境下固体界面接触热阻测试的实验装置。实验对比研究了不同温度和不同预紧力条件下,固体界面裸接与在界面之间添加真空硅脂、铟膜、石墨烯、石墨片导热填料时的接触热阻。实验结果表明,接触界面的接触热阻都随温度升高和预紧力增大而减小。在接触界面添加真空硅脂或铟膜后接触热阻随预紧力变化非常,裸接或添加石墨烯的接触热阻随预紧力变化较大,但是当预紧力大于2.5 N·m时其接触热阻基本不变。温度越低时添加导热填料减小接触热阻的效果越明显。总之在两界面之间添加铟膜时效果最佳,此时接触热阻随预紧力和温度的变化都较小,此种情况下接触热阻最小可以达到3.5×10~(-6)K·m~2/W。     

低温下接触界面热阻的实验与模拟研究

在20-300 K和1.20-4.28 MPa范围内,分析温度和加载压力对铜-不锈钢接触界面热阻的影响,并进行回归分析和仿真研究.完全二次型模型与铜-不锈钢接触热阻实验结果吻合较好,最大相对误差为7％.仿真结果表明,在温度低于150 K时温度和压力的耦合对接触热阻的影响比较明显.     

Ar-Kr低温界面传热过程分子动力学模拟

运用非平衡分子动力学原理和LJ势函数仿真研究氩(Ar)与氪(Kr)之间的界面层传热问题,模拟其界面传热的能量变化过程.仿真结果表明,即使界面粗糙度为0,低温固体界面热阻仍然存在.平均温度为40 K,粗糙度为0时,氩(Ar)与氪(Kr)之间界面热阻为0.15～0.18 Wm2/K,相对误差小于17%.     

铝添加剂对镀钛金刚石/铜复合材料热学性能的影响

针对添加剂铝能够改善镀钛金刚石/铜的界面粘附力,研究了不同体积分数铝的加入对金刚石-铜的界面、微观结构、界面产物的形成以及热性能的影响。结果表明:铝的加入在金刚石-铜界面之间形成了金属间化合物Al_5 CuTi_2和AlCu_2Ti,金属间化合物的形成明显地改善了金刚石-铜的界面浸润性,提高了复合材料的致密度。然而,随着铝体积分数的增加,复合材料的热导率反而降低,是由于金属间化合物的形成阻碍了有效传热界面,增加了热阻造成的。当铝和金刚石体为分别为2 vol.%和75 vol.%时,样品最高热导率达到了570 W/(m·K)。     

利用光热反射法研究多层薄膜结构的散热性能

搭建了纳秒激光加热、连续激光探测的光热反射实验系统,通过测量芯片中多层微米厚度薄膜不同位置的反射信号,评估了不同薄膜结构对器件散热的影响.在多层薄膜热传导模型的基础上,结合Laplace逆变换的Stehfest数值解拟合得到了微米级厚度薄膜的热物性参数以及界面传热特性.拟合得到绝缘层热导率为0.75 W/(m·K),与磁控溅射Al薄膜间的界面热阻约为10~(-8) m~2K/W.进而建立了电子器件封装镀膜的热分析有限元模型,比较了沉积类金刚石薄膜前后芯片热点温度的变化,结果表明:类金刚石薄膜可以进一步改善芯片的散热性能.     

氮化铝与无氧铜低温界面热阻的实验研究

用低温真空实验装置稳态导热法,实验研究了界面温度和接触压力对氮化铝(AIN)与无氧铜(OFHC-Cu)问接触界面热阻的影响.在实验温度(90～210 K)和压力(0.273～0.985 MPa)范围内,A1N/OFHC-Cu界面热阻随接触压力的提高而降低,而当界面温度上升时界面热阻由于热载子热运动的强化而降低,温度较高时,界面热阻随压力变化的速率较大.     

650 MHz超导腔的传导冷却结构设计及数值模拟

为了实现仅依靠小型制冷机和热传导方式带走超导腔热量、抛弃复杂的液氦系统,对超导腔的传导冷却结构展开了研究。根据传热要求为650 MHz超导腔初步设计了5种不同的冷却结构,并使用数值模拟软件进行传热仿真,研究了不同的冷却结构、冷却结构的材料和接触热阻等因素对冷却效果的影响。研究结果表明:设计3个冷头比2个冷头更合理,连接冷头和冷环的热桥长度与超导腔的温度近似成线性关系,束管处的热桥有利于截断束管漏热。热桥材料采用高纯铝的冷却效果好于高纯无氧铜,同时热桥与冷环的接触热阻应控制在10 K·cm²/W以下。     

高压熔渗金刚石/铜复合材料的低温导热特性

为研究高压熔渗金刚石/铜复合材料导热率在低温区的变化规律,采用高压熔渗（HRF）的方法分别制备了不同粒度（100 μm,250 μm,400 μm）的金刚石/铜复合材料,利用扫描量热法分析评价了高压熔渗法制备的不同粒度金刚石/铜复合材料的低温导热特性,采用扫描电子显微镜（SEM）分析其显微组织。研究结果表明：由于高压熔渗制备的金刚石/铜复合材料中的部分金刚石发生聚晶反应,导致金刚石颗粒间晶界传热的热阻远小于界面传热热阻;高压熔渗条件下,金刚石颗粒内部变形破碎导致缺陷增多,且100~150 K低温下以声子为主要热载子的传热对裂纹和间隙等缺陷敏感,导致在较低温区内金刚石/铜复合材料的导热率低于普通压力熔渗（PF）所制备的金刚石/铜复合材料的导热率。     

基于MATLAB的氮化铝和铜界面热阻仿真

以低温界面热阻实验研究为基础，以氮化铝（AlN）和无氧铜（Cu）样品为对象，研究了温度和压力对陶瓷（AlN）和金属（Cu）之间的界面热阻的影响。应用最小二乘法和MATLAB软件工具，得到界面热阻和界面温度以及接触压力之间的关系，建立其数学模型和计算机仿真模型，从而可以预测在不同的界面温度和不同接触压力作用下AlN和Cu之间的界面热阻。界面热阻温度范围90-200K，压力变化范围0．273-0．985MPa，仿真结果与实验结果误差小于5％。这对低温与超导、超导材料及其应用技术有重要意义。     

高温超导直接冷却中AlN与Bi-2223间界面热阻的实验研究

基于微结构低温工程学，提出三维低温界面层的概念，指出界面热阻是制冷机直接冷却超导磁体需要解决的关键技术之一。以GM制冷机为冷源，按稳态热流法原理测量了Bi-2223、AIN的热导率及它们之间的低温界面热阻。在0.15MPa-0.55MPa压力范围内，AIN和Bi-2223间的界面热阻随界面层温度和接触压力的升高而降低，并随接触界面处温度的不同表现出不同的变化率。当界面层Bi-2223侧温度为55K时，在0.5469MPa的接触压力作用下，Bi-2223和AIN间的界面热阻是厚度为10mm的AIN垫片体积热阻的38.86倍，是接触压力0.2281MPa时界面热阻的38.7％。     

接触热阻对核电站主控室热阱系统蓄热性能的影响

以第三代核电站热阱复合墙体为研究对象,将阻容模型和有限差分法耦合,构建了包含界面接触热阻的热阱墙体三维非稳态传热模型,并用墙体蓄热实验进行了验证。模拟分析了不同接触热阻对热阱墙体蓄热性能的影响。结果显示,当接触热阻取0.001 m~2℃/W时,整面墙蓄热量和放热量减少3%左右,当接触热阻增加至0.01 m~2℃/W时,蓄热量和放热量将减少8%左右。对比分析得出,热阱墙体的接触热阻数量级为10~(-3)。因此,建议在对热阱墙体蓄热性能进行有效评估时,对于接触热阻的影响考虑5%的安全附加系数。     

低温接触热导对冷冻靶温度场的影响规律

通过理论推导得出低温条件下不同接触方式的接触热导计算模型,与已有的实验结果对比分析,发现该计算模型具有较高的计算精度,并将该计算模型应用至惯性约束冷冻靶数值模拟计算中,结果表明:硅/铝合金接触热导的值随着装配条件、接触面的接触压力和表面粗糙度等因素改变而发生较大变化,在接触压力为0.2 MPa,表面粗糙度为0.1μm工况下,其接触热导值在6.7—56 kW·m~2/K;控制硅冷却臂与TMP结构冷环接触面间的的接触热导大于10kW·m~2/K,能够使靶丸外表面的温度分布均匀性、黑腔系统的换热能力与接触热导无穷大的理想状态偏差小于16%,对于胶Stycast 1266,为满足该条件,所允许的名义胶层厚度约为3μm。在实际工程中,利用接触热导预测公式可以反向推导硅冷却臂卡爪与TMP冷环间所需的压紧力控制范围,尽可能削弱接触热阻的影响。     

微通道冷凝器低温回路热管的实验研究

设计了一套以乙烷作为工质,使用微通道冷凝器的低温回路热管原理样机,并对样机的降温过程、传热性能以及再启动特性进行了实验研究。结果表明:在5 W的驱动功率下该低温回路热管可实现快速降温,在降温过程中通过增大蒸发器的加热功率可以加速回路热管的降温;该样机可以在200 K时能够稳定传输50 W的热量,并且随着加热功率的增大,回路热管的热阻不断减小;在回路热管停止工作后,重新施加热量,该样机仍能够正常启动;该样机在本实验中的最大传热功率为54W,此时的热阻为0.46 K/W。     

香蕉冻干过程中有效导热系数实验研究

为实现对冻干工艺的精准热控制,提高冻干产品品质,本文以香蕉为研究对象,利用稳态热流法研究了在真空环境下压强(10、30、50 Pa)和干燥温度(-20、-30℃)对香蕉切块整个冻干过程中有效导热系数的影响。借助微CT扫描,观察分析了香蕉内部的升华过程,深入探讨了冻干过程孔隙率和有效导热系数的关系。结果表明:当压强由10 Pa增至50 Pa,对应的有效导热系数由0.036 W/(m·K)增至0.072 W/(m·K);升华干燥温度由-30℃增至-20℃,对应的有效导热系数由0.084 W/(m·K)降至0.058 W/(m·K);微CT在冻干过程(30 Pa,-20℃)中,升华界面逐渐向切块中心移动,孔隙率由最初的0.059增至0.252,对应的有效导热系数由0.695 W/(m·K)减小至0.123 W/(m·K)。     

Cu/Al复合材料热电性能的研究

运用新型感应加热工艺,通过固-液-固相复合法制备铜/铝复合材料。分析了不同成分结合层的电阻率及结合层厚度与铜铝复合材料热电性能间的关系。实验中用氙灯导热仪DXF200对Cu/Al复合材料结合层的导热系数进行测定,用SB100A/20A型四探针导体/半导体电阻率测试仪对Cu/Al复合材料结合层电阻率进行测定。结果表明,铜铝复合材料结合层的导热系数为205.6 W/(m·K),铜铝复合材料中间化合物Cu9Al4的电阻率为14.35×10-8Ω·m,CuAl的电阻率为11.56×10-8Ω·m,CuAl2的电阻率为8.17×10-8Ω·m,且随着结合层厚度的增加,复合材料的等效导热系数逐渐减小,当铜铝复合材料结合层厚度保持在1~100μm的范围时有具有较好的导电、导热性能。     

高温超导SMES磁体直接冷却的热分析

用G-M制冷机(5W/20K)将Bi2223带材绕制的SMES超导磁体,在10-3Pa真空度下,从常温300K左右冷却到25K,得到了磁体冷却过程速率和磁体温度分布.在实验研究超导磁体降温特性的基础上,对SMES磁体的冷却过程进行了热分析,实验研究表明为使超导磁体有效地冷却和稳定运行,除了减小磁体漏热和其内部发热,有效控制热传导部件间的接触界面热阻是高温超导直接冷却磁储能装置研发应用中的关键技术问题.