接触热阻与接触导热填料
接触热阻
接触热阻
定义
复合系统中，在不同材料的交界面上，普遍认为接触面两侧保持同一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。
然而，实际上，两个表面上的温度是不相同的，也就是说存在着温度降。
这个温度降是因为存在着接触热阻的结果。
对于单位面积的交界面，接触热阻可以定义如下：
文字表述为：接触热阻等于两个交界表面温度之差除以热流密度。
接触热阻单位是：
产生原因
交界面上接触热阻的存在主要是由于表面粗糙度的影响。
接触部位之间普遍存在着空隙，在多数工程实践中，间隙中充满着空气。
因此传热是借通过接触间隙的传导和/或者辐射、对流实现的。
接触热阻可以看作是两个并联的热阻：1，来自于接触面积部位产生；2，由间隙产生。
接触面积通常很小，特别是粗糙的表面，其主要作用的是间隙所产生的热阻。
接触热阻与接触导热填料 1999
接触热阻与接触导热填料任红艳胡金刚(北京空间飞行器总体设计部北京100086)文摘在调研国内外接触热阻研究的基础上,介绍了关于接触热阻及接触导热填料的研究发展情况。
对导热脂及油、金属、导热垫、RTV、镀层等导热填料的性能、应用情况作了简介,提供工程应用参考。
关键词接触热阻,接触热导率,填料Thermal Contact Resistance and Thermal Conductive FillerRen Hongyan Hu Jingang(Beijing Insti tute o f Spacecraft System Engineering Beijing100086)Abstract O n the basis investigation of thermal contact resistance developed in the w orld,the development on ther2 mal contact resistance and thermal conductive filler is briefly introduced.The properties and applications of some thermal conductive filler materials such as thermal conductive grease and oil,metal,gasket,RT V,coating etc.are presented here to provide reference to engineering use.Key words Thermal contact resistance,Thermal contac t conductive,Filler1引言航天器在其飞行过程中要经历极为恶劣的热环境,其温度可从摄氏零下200多度变至数千度以上。
因此,为保证航天器能正常工作,就需要对航天器内外各组件、仪器设备之间的导热过程进行控制,导热过程的控制是以分析和控制导热途径上的热阻为出发点,而影响实际导热过程的一个重要因素就是构件之间的接触热阻。
接触热阻定义
接触热阻定义什么是接触热阻？接触热阻本身是一个相对比较简单的理论，但是对于物理学和热力学来说，它却是一个极为重要的概念。
接触热阻是指两种物体表面接触时表面之间的热阻力，与传播热量有关。
热阻是热传导性的一个参数，而接触热阻则是在两个表面之间存在的热阻力。
当两个物体的温度不同，它们之间的热流动就会发生。
如果这两个物体表面完全是接触的，那么它们之间的热量流动速度可能就会受到一些约束。
这种约束称作接触热阻，包括气体-气体、气体-液体、气体-固体、液体-液体、液体-固体以及固体-固体等等多种不同的热阻类型。
我们可以用一个简单的例子来说明接触热阻的概念：如果在做饭的时候，我们使用一把凉铁勺去搅动热汤，那么由于热汤和铁勺之间的接触热阻，铁勺会比汤稍微冷一些。
同样的，如果我们使用一个热的勺子去搅匀一杯冷饮，那么这个勺子也会变得稍微凉一些。
这种热量的传播，它就是取决于两个表面的接触热阻的。
如何计算接触热阻？计算接触热阻的方法取决于热传递的方式。
根据不同的热传递方式，计算接触热阻的基本公式也不同。
在气体-气体之间的热传递中，接触热阻的计算方法主要使用代表气体流动的能量公式。
在液体-气体和液体-液体之间的热传递中，接触热阻的计算方法则会使用液流动的能量公式。
在这些情况下，计算接触热阻需要对不同物质的能量方程进行求解。
而在不同的热传递中，接触热阻的计算方式也不一样。
在气体-固体热传递中，接触热阻的计算方式主要使用冷却效果进行求解。
在液体-固体热传递中，接触热阻的计算方法则需要用到液流动的基本方程。
最后，对于固体-固体之间的热传递，可以通过经验公式进行计算。
这个经验公式是将接触热阻与材料的热导率、表面的平整程度和压力等参数联系在一起进行计算的。
综合考虑接触面的粗糙度、表面磨损和材料导热性能等影响，可以得到更加准确的结果。
优化接触热阻的方法接触热阻是影响热传递效率的一个重要因素。
在很多工业过程中，我们需要用到高效的热传递技术。
导热填料 硅铝酸盐
导热填料硅铝酸盐1. 简介导热填料是一种用于提高热传导性能的材料，广泛应用于热传导领域，如电子器件散热、汽车发动机散热等。
硅铝酸盐是一种常见的导热填料材料，具有优异的导热性能和化学稳定性。
2. 硅铝酸盐的组成和结构硅铝酸盐主要由硅氧键和铝氧键组成，其基本结构为硅氧四面体和铝氧六面体的交替排列。
硅氧四面体由一个硅原子和四个氧原子组成，铝氧六面体由一个铝原子和六个氧原子组成。
硅氧四面体和铝氧六面体通过共享氧原子连接在一起，形成硅铝酸盐的结构。
3. 硅铝酸盐的导热机制硅铝酸盐具有优异的导热性能，其导热机制主要包括晶格导热和界面导热。
3.1 晶格导热硅铝酸盐的晶格结构中存在着大量的硅氧键和铝氧键，这些键的振动可以传递热能。
硅氧键和铝氧键的振动频率和振幅决定了晶格导热的效率。
硅铝酸盐晶体的晶格热导率与其晶体结构、晶粒尺寸以及晶格缺陷有关。
3.2 界面导热硅铝酸盐与其他材料的界面也是热能传递的重要途径。
硅铝酸盐的导热性能受到界面热阻的影响，界面热阻包括接触热阻和界面扩散热阻。
通过改善硅铝酸盐与其他材料的界面接触和界面扩散能力，可以提高导热填料的导热性能。
4. 硅铝酸盐的应用硅铝酸盐作为导热填料，具有广泛的应用领域。
4.1 电子器件散热在电子器件中，由于高功率集成电路的使用，散热问题日益突出。
硅铝酸盐作为导热填料可以填充在电子器件的散热部分，提高散热效果，保证电子器件的正常运行。
4.2 汽车发动机散热汽车发动机在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时散热，会导致发动机过热甚至损坏。
硅铝酸盐作为导热填料可以填充在汽车发动机的散热部分，提高散热效率，保证发动机的正常运行。
4.3 光电子器件散热光电子器件在工作过程中也会产生大量的热量，如果不能及时散热，会影响器件的性能。
硅铝酸盐作为导热填料可以填充在光电子器件的散热部分，提高散热效果，保证器件的正常工作。
5. 硅铝酸盐的改性和优化为了进一步提高硅铝酸盐的导热性能，可以对其进行改性和优化。
真空低温下螺钉压紧的Cu-Cu界面间接触热阻的实验研究
真空低温下螺钉压紧的Cu-Cu界面间接触热阻的实验研究徐圣亚;洪国同【摘要】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2.0×10-5 K·m2/W.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2010(016)003【总页数】4页(P153-156)【关键词】接触热阻;螺钉连接;导热填料;一阶指数衰减【作者】徐圣亚;洪国同【作者单位】中国科学院理化技术研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100049;中国科学院理化技术研究所,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】O5141 引言航天器在其飞行过程中要经历极为恶劣多变的热环境，其中的探测仪器又往往只能工作在特定的低温温度下。
在对探测仪器温度控制过程中，导热过程的控制相当重要,影响实际导热过程的一个重要因素就是构件之间的接触热阻。
由于理论预测上的困难，减少和控制接触热阻则有必要进行一定的实验研究[1，2]。
国内外对两固体表面直接通过外力压接在一起时的接触热阻研究的较多。
然而实际应用中，两固体表面多采用螺钉或螺栓连接，这方面的接触热阻的数据较为缺乏[3]。
因此，对螺钉连接时接触热阻的研究很有必要。
在2个相互接触的表面间使用合适的填料可有效地改变它们的接触热导率，合适的填料填充了因表面粗糙而造成的微观上的空隙[4]。
因此，在固体接触界面间填充合适的导热填料能够很好的减小接触热阻，本次实验研究了2种常用的导热填料，即真空硅脂、铟箔。
2 实验测量原理与装置2.1 实验测量原理接触热阻的产生是由于接触界面的不完全接触而引起热流收缩所造成的。
可以按界面处温差的大小而定义接触热阻R。
导热填料的种类及优缺点
导热填料的种类及优缺点
导热填料是添加在基体材料中用来增加材料导热系数的填料。
常见的导热填料包括：
1. 金属粉体：如铜粉、铝粉、钨粉等。
优点是导热性能好，缺点是易氧化、易燃、难以控制粒径。
2. 氧化物：如氧化铝、氧化镁、氧化锌等。
优点是稳定性好，缺点是导热性能相对较差。
3. 碳化物：如碳化硅、碳化钨等。
优点是导热性能好，强度高，缺点是成本高。
4. 氮化物：如氮化铝、氮化硼等。
优点是导热性能好，高温稳定性好，缺点是成本高。
5. 碳纳米管：石墨烯等。
优点是导热性能极好，表面积大，但成本高。
6. 石墨相变材料：具有特殊的相适应相变温度，可以在不同温度下改变其导热性能。
优点是导热性能稳定，但成本高。
7. 纳米改性材料：如纳米氧化铝、纳米氧化镁等。
优点是导热性能好，表面积大，但成本高。
不同种类的导热填料具有不同的优缺点，选择时需要根据实际需求进行综合考虑。
接触界面热阻
接触界面热阻是指在两个固体接触的界面上，由于表面粗糙度、几何形状、物质特性等因素的影响，热量传递过程中产生的阻力。
这种阻力是由于固体表面之间的空气间隙、表面不平整等原因造成的。
当两个固体接触时，它们之间会形成一定的接触面积，但这个接触面积只是总面积的一部分，其余部分则是间隙。
由于空气的热导率很低，这些间隙成为热阻的主要来源。
在实际应用中，例如在电子器件、散热器、热管等领域，需要减小接触界面热阻，以提高热传递效率。
为了减小接触界面热阻，可以采用表面处理、涂层、填充物等方法来增加接触面积和改善表面粗糙度，从而减小空气间隙的影响。
同时，也可以选择导热性能更好的材料来减小热阻。
总之，接触界面热阻是一种常见的现象，对热传递过程产生重要影响。
了解接触界面热阻的原理和影响因素，有助于采取有效措施减小热阻，提高热传递效率。
接触热阻 导热系数
"接触热阻" 和"导热系数" 都是与热传导相关的概念，它们在热学和工程领域中具有重要意义。
1. **接触热阻**（Thermal Contact Resistance）：接触热阻是指在两个材料或物体的接触界面上，由于不完美的接触而导致的热阻。
当两个物体接触时，其表面之间通常存在微小的间隙或不均匀性，这会导致热量传导的障碍。
接触热阻通常以温度差、接触面积和材料性质等因素来描述，它的值通常以温度差除以接触界面上的热流率来表示。
2. **导热系数**（Thermal Conductivity）：导热系数是一个材料的热传导性能的度量。
它表示了材料在单位时间内从高温区传导热量到低温区的能力。
导热系数通常以热流密度、材料厚度和温度差来计算。
不同材料具有不同的导热系数，例如，金属通常具有高导热系数，而绝缘材料具有较低的导热系数。
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接触热阻与接触导热填料任红艳 胡金刚( 北京空间飞行器总体设计部 北京 100086 )文 摘 在调研国内外接触热阻研究的基础上,介绍了关于接触热阻及接触导热填料的研究发展情况。
对导热脂及油、金属、导热垫、RT V、镀层等导热填料的性能、应用情况作了简介,提供工程应用参考。
关键词 接触热阻,接触热导率,填料Thermal C ontact Resistance and Thermal C onductive FillerRen H ongyan Hu Jingang( Beijing Institute of S pacecraft System Engineering Beijing 100086 )Abstract On the basis investigation of thermal contact resistance developed in the w orld,the development on ther2 mal contact resistance and thermal conductive filler is briefly introduced.The properties and applications of s ome thermal conductive filler materials such as thermal conductive grease and oil,metal,gasket,RT V,coating etc.are presented here to provide reference to engineering use.K ey w ords Thermal contact resistance,Thermal contact conductive,Filler1 引言航天器在其飞行过程中要经历极为恶劣的热环境,其温度可从摄氏零下200多度变至数千度以上。
因此,为保证航天器能正常工作,就需要对航天器内外各组件、仪器设备之间的导热过程进行控制,导热过程的控制是以分析和控制导热途径上的热阻为出发点,而影响实际导热过程的一个重要因素就是构件之间的接触热阻。
接触热阻是由于两接触面凹凸不平使得接触不完全而产生的热阻。
接触热阻的大小与接触表面的材料、连接方式、表面状况及接触压力大小等多种因素有关。
因此,接触热阻就很容易成为卫星热分析中的不确定因素,这种不确定性在极端情况下,甚至会影响卫星热设计的可靠性和卫星运行的可靠性。
即使在一般情况下,接触热阻的存在也会增大热流途径上的温降。
对航天器热控制来说,过大的接触热阻还可能使其它热控手段(比如热管)失效。
随着科学技术的发展,在工程实践和科学实验中,接触热阻问题愈来愈引起人们的注意。
特别是随着空间技术的发展,卫星内大功率组件的热功耗越来越大,为使卫星内部的温度处于适宜的范围之内,就需要对接触热阻问题进行理论和实验研究,以对卫星内部导热过程进行有效的控制。
2 接触热阻的理论研究2.1 接触热阻的点理论如果把离散的局部接触面积称为点,接触热阻点理论的一般方法是:对单接触点接触热阻算法进行研究,再对接触点数目进行研究,从而完成对多接触点接触热阻的计算。
对单接触点接触热阻的计算大多将接触点简化为圆台、圆柱及圆盘三种计算模型,这三种模型中,圆台计算模型较其它两种更接近实际情况,因它考虑了锥角θ的影响。
收稿日期:1999-03-22任红艳,1972年出生,主要从事接触热阻方面的研究工作 设R i 为单点接触热阻,n 为接触点的个数,a 为接触点的半径,则连接处的总热阻为:1R T=∑ni =11R i(1)因R i =f i /(2ak ),则有R =∑ni =1f i 2a i k(2)a 为平均的接触点的半径,若忽略热阻减小因素f 的变化,则有:R =f /(2nak )(3)这样可将接触热阻问题归结于两个基本因素n 及a ,这两个因素又都依赖于平面轮廓平均微观粗糙度δ分布。
首先,须知道表面的变形是弹性的还是塑性的。
由于许多研究者的工作,尤其是Mikic 的研究工作[1,2],使接触热阻的理论取得了重要的进展。
Mi 2kic 及其合作者假定微观粗糙度分布为高斯分布,在初始加载时变形是弹性的,而载荷更高时则是由弹性向塑性过渡,使用以下系数来区分:γ=H/(E ′|tan θ|)(4)式中,H 为两种材料中较软者的微观硬度,E ′为有效弹性模量,tan θ为平均的表面轮廓绝对斜度(mean abs olute slope of the surface profiles )。
另外,Sridhar 及M.Y ovanovich [3]对弹性和塑性变形的接触导热模型的研究发展进行了比较和回顾,并对几种常用材料的试验结果与模型进行比较,结果表明表面较平滑的变形多是弹性的,而较粗糙的变形多是塑性的。
这些模型的建立对接触热阻的研究非常重要,但实际应用时因外界条件复杂而难以使用,需更多的试验结果来证实模型的可用性。
现在人们正在试图建立一种弹塑性的模型来对接触热阻进行分析;另外,用有限元法计算接触热阻也是一正在兴起的新方法。
2.2 金属接触热阻的研究接触热阻的大部分研究是关于金属表面间的接触热阻,因为在工程应用中,特别是在航天技术应用中,金属是常用的材料。
文献[4]回顾了金属接触热阻的研究发展,将各种金属热导模型与实验数据相比较,并给出近年来有关金属在各种情况下的经验及半经验关系式和理论模型,同时进行了分析。
(1)表观平坦而实际粗糙的金属接触的经验及半经验关系式Fletcher 和G y orog [5](1970)的经验式是在对铝、黄铜、镁及不锈钢的400次测量的结果上得到的,而且还考虑到表面平整度的偏差;O ’Callaghan 及Probert [6](1974)的经验式是由对铝及不锈钢的研究得到的;另外,S ong 及Y ovanovich [7](1988)的半经验式与实测结果吻合较好。
(2)平坦的粗糙金属接触的理论模型Mikic [2]在1974年建立了弹性变形模型;Y ovanovich [8]在1982年建立了塑性变形模型;而Ma 2jumdar 和T ien [9](1991)的模型与大多的模型理论不同,它对接触面的描述不是用粗糙度(asperity height )的高斯分布,而是用节点网络(fractal netw orks )法来描述;Sridhar 及Y ovanovich 在1994年将Mikic 的弹性变形模型及Y ovanovich 的塑性变形模型结合,建立了弹塑性变形的模型。
(3)不平坦的粗糙金属接触的理论模型Mikic 及R ohsenow (1966),Thomas 及Sayles [10](1974),Burde 及Y ovanovich [11](1978)研究了粗糙的球面接触(spherical ,rough surface )并给出了各自的模型,但因这些模型计算复杂,工程设计中难以使用。
Mikic [12](1970)针对粗糙球面接触的表面不均匀的压力分布的一维变化给出了模型,但并未给出压力分布的确定方法;Nishino 等[13](1993)则结合了Mi 2kic 的理论,用压力敏感薄膜(pressure sensitive films )来确定无量纲参数压力的分布。
但Nishino 并未给出压力分布和表面轮廓的联系,则压力的测量就不能避免。
但这些文献中只给出的模型,并未说明如何应用,使其应用受到限制。
3 接触导热填料研究在两个相互接触的表面间使用合适的填料可有效地改变它们的接触热导率。
合适的填料填充了因表面粗糙而造成的微观上的空隙。
如果填料本身具有较好的导热性,接触热阻可减小;相反,若在接触缝隙中填上非金属材料,将会进一步增大接触热阻。
然而,现在着重研究的还是减小接触热阻方面的要求。
填料的选择是要求它具有热传导性、与表面材料的相容性、污染性及易使用性等,对于特殊的应用,材料的选择需考虑接触温度、压力、环境状况等。
3.1 导热脂及油试验表明,导热脂的使用可大大减小接触热阻,且易于使用。
一般所使用的导热脂为以硅油与导热填料组成的硅脂,导热填料可使用金属粉末或用ZnO粉末(具有电绝缘作用)。
另外,在较低的温度下,以石墨为基体的油也可很好地提高接触热导率。
文献[14]对13种导热脂进行了接触热导的测试,而文献[15]对之进行了筛选试验,结果表明:77—09脂为综合性能最佳的导热脂,其组分为:57#硅油:ZnO =1:2.5(质量比);饱和蒸气压(20℃)<1×10-5Pa;针入度(25℃,9.3g)为72,涂抹方便;接触热导率为25704W/(m·K)。
尽管该种材料的优点较多,但也有缺点:在涂抹时不易恰到好处,经接触挤压后会流出而影响别的表面;而且长期存放或填充后,脂中的硅油会析出和爬行,温度超过180℃后,硅油会强烈的挥发;即使其饱和蒸气压很低,但在高真空中也会挥发,难以用于光学性能要求高的部件。
3.2 金属1)金属箔文献[16]中,对在不同情况下铝合金6061T6的接触面使用了4种金属箔来减小接触热阻,这4种金属箔为铅、锡、铝、铜,得出结论:接触热导是受接触压力、金属箔的热导率及硬度、接触表面的粗糙度影响的。
在这些金属箔中,铟箔可较大提高接触热导率。
文献[17]中对铟进行了应用试验研究:将铟压延成0.1mm的箔填入接触表面之间。
试验表明,对于表面平整度为0.02mm的情况,填入铟箔可将接触热导率提高5～6倍;当填入铟箔时,表面平整度应小于铟箔的厚度。
缺点是如在连接点不正确的放置有可能使其安装误差或卷曲而导致热导率的减小;且它比较脆、易断裂,拆卸时有可能受到破坏而不能重复使用。
2)金属丝网在接触面处放置坚硬、低热导率的金属丝网可起隔热作用,增大接触热阻。
金属丝网的隔热效果好坏取决于它的硬度、相对于基板材料的导热率、网格数目(decitex)、网格直径。
从各种研究可知,具有较少网格数目的不锈钢及钛的金属丝网为较好的隔热选择,它们具有良好的机械性能及可重复使用。
3)低熔点合金将选择的一定熔点的低熔点合金放置于接触面处[18],当温度达到其熔点温度时,该合金会液化,则其将会充满接触面处的空隙,从而加大接触导热,使得接触面处温度不致太高。
而当仪器停止工作时,温度下降,合金又会凝固,接触又会变差,从而使温度不致太低。
在室温时,该合金应为固态以方便安装及拆卸,且熔点要低于连接面处的运行温度。
为防止该合金使用时熔化为液体流出接触面,在文献[18]中,使用了如图1所示的分块结构,利用毛细张力作用使得液体合金不致流出。