基于Cantor集分形的固體接觸界面熱阻研究.pdf

1、接觸界面熱阻的大小在航天、低溫、電子等眾多領(lǐng)域決定著關(guān)鍵設(shè)備的冷卻或絕熱效果，影響著系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，進(jìn)行真空環(huán)境、氣體環(huán)境、界面材料等不同界面條件下接觸傳熱的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于宏觀平整微觀粗糙工程表面的多尺度分形特征和接觸傳熱應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，目前仍不存在應(yīng)用廣泛、預(yù)測(cè)精度高的分形界面熱阻理論模型。本文使用Cantor集分形理論和接觸界面的彈塑性形變理論，嘗試建立真空和氣體環(huán)境下接觸界面熱阻的理論模型，并對(duì)存在塑性界面材

2、料的界面熱阻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 本文首先對(duì)穩(wěn)態(tài)軸向熱流接觸熱阻實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了熱分析，探究了裝置結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)控制條件對(duì)界面熱阻測(cè)量精度的影響。依據(jù)熱分析結(jié)果設(shè)計(jì)制造了實(shí)驗(yàn)腔和真空腔分離的界面熱阻實(shí)驗(yàn)裝置。討論了各實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)對(duì)界面熱導(dǎo)測(cè)量不確定度的影響。 然后，從接觸熱阻形成的機(jī)理出發(fā)，采用Borodich和Mosolov以及Warren等學(xué)者發(fā)展的Cantor集分形理論來描述粗糙表面的幾何形貌，結(jié)合接觸力學(xué)中彈塑性形變理論

3、和傳熱學(xué)理論首次建立了真空環(huán)境下離散和連續(xù)的Cantor集接觸熱阻分形網(wǎng)絡(luò)模型。在該分形模型中考慮了塑性形變凸體的體積守恒和鄰代凸體熱流收縮的影響。在界面溫度150K真空度0.01Pa條件下進(jìn)行了不銹鋼(ANSl304)試樣的接觸熱導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，接觸壓力范圍為1MPa～7MPa，表面粗糙度1.3～36.6gm，表面分形維數(shù)Ds為2.20～2.86。采用理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式分析了低溫條件下材料的表面幾何形貌(Cantor集參數(shù)及分形參數(shù))

4、、熱物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)(熱導(dǎo)率、硬度和彈性模量)以及界面載荷對(duì)接觸熱導(dǎo)的影響。實(shí)驗(yàn)與模型的比較顯示Cantor集接觸熱阻模型能夠較好地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且離散模型和連續(xù)模型兩者保持了較好的一致性。粗糙表面的接觸熱阻主要以凸體熱傳導(dǎo)熱阻為主，鄰代凸體之間的收縮熱阻影響相對(duì)較小。分形維數(shù)較大的粗糙表面具有較大的接觸熱導(dǎo)。 接著，在Cantor集分形接觸熱阻模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了氣體環(huán)境下的界面熱阻和間隙熱阻的理論模型，并對(duì)影響界面間隙

5、氣體傳熱的因素進(jìn)行了理論分析。使用相同的不銹鋼試樣在界面溫度150K進(jìn)行了氮?dú)夂蜌鍤猸h(huán)境下的界面熱導(dǎo)測(cè)量，氣體壓力為0.15MPa，接觸壓力范圍為11VIPa～7MPa。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型的比較發(fā)現(xiàn)，間隙熱導(dǎo)的理論模型過估計(jì)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但能夠進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。在較高的接觸壓力(≥lVlPa)下，由于間隙熱導(dǎo)在總界面熱導(dǎo)中所占比重不大，非真空環(huán)境下的Cantor集分形界面熱阻模型仍然能夠較好地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 最后，實(shí)驗(yàn)研究了存在塑性界面