穩(wěn)態(tài)法接觸熱阻測試試驗(yàn)研究

謝明君，邊燕飛，蔡萌

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

兩個固體表面進(jìn)行相互接觸，從微觀角度分析，接觸表面都是粗糙不平。由于界面接觸的不完全性，進(jìn)而導(dǎo)致接觸界面熱流的收縮，進(jìn)而產(chǎn)生接觸熱阻。相關(guān)研究表明，接觸熱阻是受材料的物性、接觸表面的粗糙度、溫度、接觸壓力和環(huán)境等眾多因素影響的。對界面接觸熱阻的研究牽涉其他多個領(lǐng)域，如低溫冷卻、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子冷卻、化學(xué)、微觀物理學(xué)以及材料學(xué)。

接觸熱阻的研究集中在理論研究、數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究以及接觸換熱填料研究等方面。國內(nèi)外針對接觸熱阻的試驗(yàn)測試方法主要分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法指基于美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1105 和ASTM-5470-6 的一維穩(wěn)態(tài)測量法。瞬態(tài)法主要有激光光熱法、熱成像法、“flash”閃光法等。

1 穩(wěn)態(tài)法測量原理

一維穩(wěn)態(tài)測量法的工作原理為在兩接觸樣品上維持一定的溫差，測量兩樣品軸向上的溫度值，再由傅里葉定律外推至接觸界面處從而得到界面上的溫差；熱流密度可由熱流計(jì)測量并計(jì)算得到。如圖1 所示。當(dāng)兩個等截面的固-固界面在受到外界一定載荷壓力時，相互接觸，并且有熱量的傳遞，由于熱量只能夠進(jìn)行單方向的傳遞，試件的周圍絕熱，這樣熱流在試件中沿軸向傳遞。盡管在接觸界面附近由于熱流線的收縮，少部分的熱流是三維的，但是，熱量離開接觸面后，熱流又是一維的。這樣，從宏觀角度分析，可以將這類問題按照一維導(dǎo)熱問題進(jìn)行處理。

圖1 ASTM D5470-06界面熱阻測試原理圖

2 問題分析

要提高穩(wěn)態(tài)法測量的精度，必須減少上下熱流計(jì)對周邊空氣的熱對流和熱輻射，使熱流盡可能沿一維方向傳播。常規(guī)的做法是在測試罩內(nèi)抽真空至10-4Pa，采用高真空度的方式降低對流換熱和輻射。高真空度帶來測試系統(tǒng)造價和復(fù)雜度急劇上升，同時，單個測試工況抽真空所需時間在8 小時以上，測試成本過高，不利于大規(guī)模開展測試試驗(yàn)研究。

3 溫度補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

在常溫常壓下測試，可以降低高真空度帶來的弊端，同時，節(jié)約測試時間。測試臺熱流計(jì)的一面加熱，一面冷卻，當(dāng)熱量從熱面?zhèn)鬟f到冷面的過程中，會產(chǎn)生對周邊空氣的徑向散熱，需要采取措施降低熱對流和熱輻射帶來的熱量損失以保證測試精度。

為了降低熱流計(jì)周邊熱損失，將測試區(qū)置于一有機(jī)玻璃罩子內(nèi)，采用Aspen Aerogel 氣溶膠（導(dǎo)熱系數(shù)為0.013W/m.k）對熱流計(jì)進(jìn)行包裹，最外層包裹高反射鋁箔。測試區(qū)如圖2所示。

圖2 接觸熱阻測試臺

為了降低待測樣品周邊熱損失，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償器：在待測樣品周圍布置一環(huán)形裝置，內(nèi)嵌電阻絲，包住試樣，使試樣處于一個相對密封，溫度可控的環(huán)境中，采用PID 調(diào)節(jié)，自動控制環(huán)境溫度用溫度使環(huán)境溫度和試樣平均溫度接近，從物理方面修正試樣熱流，如圖3 所示，溫度補(bǔ)償器指標(biāo)詳見表1。

圖3 溫度補(bǔ)償器示意圖

表1 溫度補(bǔ)償器指標(biāo)

3.1 溫度仿真

加熱功率為10W，采取20mm 厚Aspen Aerogel 的高反射鋁箔，設(shè)置溫度補(bǔ)償器控制溫度對應(yīng)試件平均溫度，有機(jī)玻璃罩與外界無氣流交換，仿真結(jié)果見圖4，在測試區(qū)域內(nèi)固體和氣體最大溫度差為0.239℃，樣件截面最大溫差為＜0.1℃，樣件截面溫差低意味著法向平面的漏熱非常小，認(rèn)為熱量近似沿軸向一維方向傳輸。

圖4 熱流計(jì)截面溫度云圖

根據(jù)測試平臺的邊界條件設(shè)定瞬態(tài)熱仿真，加熱塊材質(zhì)為紫銅，測試樣件為直徑25mm、長度100mm 的銅鎢合金，水冷塊材質(zhì)為6061 鋁合金，供液流量為1.3L/min。溫度場隨時間變化如圖5 所示。

圖5 瞬態(tài)熱仿真溫度云圖

仿真結(jié)果顯示：在9600s 開始連續(xù)3 個10 分鐘周期內(nèi)溫度變化小于0.1 ℃。因此，測試樣件測試時間t 穩(wěn)≤2.67h。

4 測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證溫度補(bǔ)償方案效果，采用厚度為1mm 的Flextein? NS150 導(dǎo)熱橡膠墊作為測試對象，測試結(jié)果與桂林電子科技大學(xué)的高真空度接觸熱阻測試臺測試結(jié)果進(jìn)行了對比，分別在5 ～50psi 的壓力條件下測試了接觸熱阻，數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 測試結(jié)果對比

5 結(jié)語

采取溫度補(bǔ)償方案可以將穩(wěn)態(tài)法常溫常壓下接觸熱阻測試數(shù)據(jù)誤差控制在5%內(nèi)，單次測試時間降低50%以上，降低測試平臺成本25%以上，測試精度滿足工程應(yīng)用的要求。