石 零1, 2 王惠龄1 赵 琰1
(1华中科技大学制冷与低温工程研究所 武汉 430074)
(2江汉大学化学与环境工程学院 武汉 430056)
摘 要: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2不锈钢在300 K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。
关键词:界面层热阻 光热测量 热传递 低温
中图分类号:O514. 2,TG115 文献标识码:A 文章编号: 100026516(2006)0220007203
1 引 言
设计和制造航空航天器、大规模集成芯片、超导冷却系统时,需要解决接触热传导问题。如在卫星蒙皮与本体间需要高热阻来阻止卫星内外的热交换,而在低温探测器上又需要良好的接触热传导保证探测器需要的低温。界面热导(或者它的逆问题热阻)从微观结构上是厚度很薄的界面层[1] 。由此,称接触热阻为接触界面层热阻。
研究接触界面层热阻常用稳态法。用这种方法,一是需要大尺寸样品来布置热传感器,二是影响接触界面层热阻内部传热机制的微弱信号不容易检出。调制光热测量作为瞬态测量方法已经用在很多领域,它具有非接触性,可以检出微小信号[2~4],但这种方法在低温微结构接触界面层热阻的应用基本未见报道。探索用这种方法测量低温接触界面层热阻,将对深入研究低温接触界面层热阻,揭示接触界面层传热机理,具有重要意义。
2 理论模型
调制光热测量法是利用材料的光学反射率与温度的关系来获得材料热特性进而获得界面热阻的[5]。由调制激光加热样品的一个表面产生热波,热波通过界面层时其波的行为(幅值、相位)将发生变化,利用探测激光照射样品另一面,来获取材料温度(携带了界面层信息的热波)的变化引起的反射率变化,再通过光电二极管检测探测激光反射光线的强度,向锁相放大器输入检测信号并检测相位差和振幅信号。测量原理见图1。
式中,k 1,k 2是两样品的热导率, b 1, b 2是两样品的厚度,h为界面热导,Q为样品表面吸收的加热激光的热流,ω为加热激光的调制角频率,α为光斑直径。解上述方程,当样品厚度(L)大于热扩散长度(D=)时(处于热厚区),单个样品以及样品对的相位与调制频率间的关系为:
从式(7)中可知界面热阻与材料的热物性有关,同时跟测量光信号的调制频率有关,在选定材料后,接触界面热阻是调制频率的函数。
3 实验测量系统
3. 1 实验样品
实验样品选取铜、不锈钢等空间、低温技术中常用金属材料。铜样品的厚度为0. 652 mm,不锈钢样品的厚度为0. 45 mm。为了较好地测量界面层热阻和检测光信号,对样品表面进行了处理。首先对表面进行机械研磨,使之成为光学平面,这样可以尽量减少其它因素对界面热阻的影响。然后,在加热激光照射面,用真空磁溅射镀48 nm的碳膜,该厚度的碳膜层对加热激光的调制相位的影响可以忽略,同时增加了对加热激光的吸收。在探测激光照射面为增加对探测激光的反射,在其表面上用激光镀膜法镀0. 5μm的金膜。
3. 2 实验系统
实验系统由激光光路部分、测量部分组成。激光光路由加热激光器、探测激光器、激光频率调制器、透镜、三棱镜构成,用以构成测量所需的光路。测量部分由光电二极管、锁相放大器、计算机构成,用以检测和记录光电信号。低温实验时,样品置于低温真空环境中,其冷量由G2M低温制冷机提供。在常温和低温下,通过弹簧的压缩保证两样品的接触。
4 实验结果和分析
4. 1 铜的热扩散参数
根据实验原理,对铜样品进行了光热测量,测量数据见图2。尽管激光强度是高斯分布,为了计算处理的方便,假设加热激光的强度分布是均匀的。为满足理论公式的热厚条件,选择调制频率在300 Hz~2000Hz间。从图2的实验数据可以知道,频率在300Hz以上时,相差和调制频率间存在理论上的线性关系。通过对实验数据的拟合, 300 K下铜的热扩散系数为2. 59×10 -4 m 2/s, 20 K的实验数据拟合得到的热扩散系数为0. 125 9 m 2/s。图中理论曲线所用纯铜的热物性参数是:密度为8 930 kg/m3,热导率为386W /(m·K),比热容为388 J/(kg·K)。使用这些数据计算得到300 K下铜的热扩散系数为1. 125 9×10-4 m 2/s。文献[7]的实验数据是1. 02×10 -4 m 2/s,但该文献没有指明所使用的样品是纯铜还是合金。对于实验拟合值与计算值,存在较大差别的两个原因可能是: 1.选取纯铜的热物性数据与实验样品的热物性差别较大, 2.实验本身存在误差。尽管存在这些差别,但实验数据和理论数据的表现的规律一样,而且数据的数量级一样。
4. 2 铜2不锈钢接触界面层热阻
利用上述原理,对铜和不锈钢间的接触界面层热阻进行了实验。接触界面层热阻实验测量分别在300 K和20 K的温度下进行,调制频率与相差间的实验数据如图3、图4所示。拟合实验数据得到,常温下的接触热阻为0. 714×10 -3 m 2·K/W, 20 K的接触热阻为1. 81×10 -3 m 2·K/W。常温下拟合误差为±20%,置信区间在95%内的拟合见图3。
比较图3、图4可以看出,低温时相位差数据的波动较大,分析原因可能是:由于本装置是在低温真空装置内,这样导致了激光的对准可能存在误差,从而得到的数据比较分散。同时,低温下材料的泊松比和杨氏模量的变化,导致界面层的传热特性发生变化,也可能是使数据发散的原因。尤其值得一提的是:在实验过程中可以观察到,相位对调制频率的灵敏程度要比幅值对调制频率灵敏程度大得多。
5 结 论
(1)运用激光光热法测量了铜在常温下的热扩散系数,以及铜与不锈钢在300 K和20 K低温下的接触界面层热阻。
(2)在热厚区域,理论上热波相位与调制频间的关系,在实验上比较灵敏。
(3)用调制光热测量法,对界面层热阻进行了实验研究,实验显示调制光热法提供了有效的低温接触界面层热阻测量手段。
参考文献
1 WangH L,ThWagner,G Eska. An alumiNIum heat switchmade fromcold2pressed Cu2Al composite. Physica B, 2000, 284 ~288: 2024 ~2025
2 Li Bincheng, L Pottier, J P Roger, et a.l Thermal characterization offilm2on2substrate systemswithmodulated thermoreflectancemicroscope.Review of scientific instruments, 2000, 71: 2154~2160
3 Patrick Pruja, SauveurBénet, Bernard Claudet, et a.l Photothermalmi2croanalysis of thermal discontinuities inmetallic samples. SuperlatticesandMicrostructure, 2004(35): 409~418
4 A. Salazar,A Sáchez2Lavega, JM Terrón. Effective thermal diffusivityof layered materialsmeasured by modulated photothermal techniques.Journal ofApplied Physics, 1998, 84: 3031~3041
5 刘 静.微米/纳米尺度传热学.北京:科学出版社, 2002
6 Y Ohone,GWu, JDryden, et a.l Opticalmeasurement of thermal con2tact conductance between water2like thin solid samples. Journal ofHeatTransfer, 1999, 121: 954~963
7 W Czarnetak,i MWandelt,W Roetze.l Thermalwave analysis formeas2urement of thermal diffusivity. IEEE instrumentation andMeasurementTechnology Conference BrusselsBelgium, 1996. 1195~119914
