固—固接觸熱阻的平面近場熱輻射耦合效應(yīng)研究

發(fā)布時間：2020-10-08 15:09

　　接觸傳熱現(xiàn)象廣泛存在于能源、微電子封裝、航空航天、低溫工程等眾多工程領(lǐng)域,其中接觸熱阻是衡量界面熱傳遞效率的重要指標之一,然而接觸熱阻的準確預測與有效測量始終是系統(tǒng)熱管理中的瓶頸問題。接觸熱阻的機理非常復雜,它是幾何、力、熱三重相互用下的結(jié)果,一般情況下接觸界面存在著熱傳導、熱對流、熱輻射三種熱輸運模式。以往的接觸熱阻研究都通常忽略界面熱輻射的影響。隨著微/納米技術(shù)的發(fā)展,已有理論及實驗表明,微納米間距下的輻射傳熱(近場熱輻射)的熱流密度可超出黑體輻射極限的熱流密度數(shù)個量級。本文主要以固-固接觸界面為對象,將非接觸區(qū)域微間隙的熱傳遞模擬為接觸均平面間的近場熱輻射,并以此來考慮界面間非接觸區(qū)域的近場熱輻射效應(yīng)對接觸界面熱傳遞的影響,開展了基于經(jīng)典接觸熱傳導理論結(jié)合近場熱輻射理論的固-固接觸熱阻的平面近場熱輻射耦合效應(yīng)研究,從理論上分析了接觸界面中的粗糙點接觸熱傳導與間隙熱輻射各自的熱傳遞貢獻程度及其耦合協(xié)同效應(yīng)。具體的研究內(nèi)容主要有以下兩方面:1、研究了幾種工程常見的金屬同種材料間的界面接觸耦合傳熱。在接觸界面中,接觸熱阻被視為接觸區(qū)域粗糙點接觸形成的傳導熱阻與非接觸區(qū)域間輻射熱阻的并聯(lián)。采用CMY TCR理論模型分析了實際微單元點觸碰區(qū)域所產(chǎn)生的傳導熱阻。另一方面,使用波動電動力學從頭算的方法分析了非接觸區(qū)域的近場熱輻射。分別計算了鋁-鋁、銅-銅、銀-銀、鉛-鉛的傳導熱阻和近場熱輻射,其中對鋁的接觸熱阻進行了深入的分析與討論,探究了界面兩種模式下的傳熱貢獻以及近場熱輻射在何種情況下需要被考慮。2、研究了電子領(lǐng)域中典型的非金屬(如硅、二氧化硅、碳化硅)異種材料間的界面接觸耦合傳熱。同時考慮了表面拓撲形貌、溫度、近場熱輻射對接觸熱阻的影響。在接觸熱傳導方面,模擬構(gòu)建幾種參數(shù)不同的各向同性的類分形隨機粗糙表面,并使用它們相應(yīng)的表面粗糙度功率譜作為輸入來計算實際接觸區(qū)域的熱傳遞系數(shù)。在非接觸區(qū)域考慮了近場熱輻射的貢獻并采用了近似法來計算粗糙表面對熱輻射的散射效應(yīng)。由于材料上的非對稱性接觸,并考慮了溫度效應(yīng),該研究也涉及到了以往在界面?zhèn)鳠嵫芯恐杏^察到的一些復雜現(xiàn)象如輻射熱整流、接觸熱阻與熱流方向相關(guān)等。最后,探究了界面接觸熱阻的近場熱輻射耦合效應(yīng)。
【學位單位】：桂林電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TK124
【部分圖文】：