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低温固体间接触界面层热阻的理论与实验研究

赵琰  
【摘要】: 接触界面热阻有着广泛的应用背景和重要的理论意义。从上世纪三十年代开始的Kapitza热阻研究、六十年代开始的接触热阻研究,一直到本世纪这一领域都在显示其持久的吸引力。本文结合作者在以下基金项目的支持下对低温环境下的接触界面热阻开展研究工作,包括应用超导低温系统设计优化(国家863高技术研究发展计划[2002AA30633124])、微型卫星热控技术研究、低温接触界面热导的激光光热测量(国家自然科学基金[51076013]、教育部博士学科专项基金[20040487039])。 从微结构低温工程学角度看,在两接触固体的界面处存在一层微米或纳米级厚度的低温界面层,该界面层的组织结构和特性不同于两接触物体。低温界面层的存在是引起界面层热阻的主要原因,因此从微结构低温工程学角度研究低温界面层的特性、界面层热阻和界面层上的热输运过程具有重要的理论意义和实际应用价值。 从理论研究的角度上,本文以界面层热阻机理的分析为中心,根据固体接触面间存在的不同尺度的缺陷,分离出界面层的多种描述。通过分析和比较导致界面层热阻的各种宏/微观机制,确定了以收缩热阻和界面热阻划分不同尺度缺陷的建模思路,并建立综合两种因素的计算模型。通过对综合模型的分析,讨论了低温区域和常温区域接触界面热阻的区别,着重讨论了其随温度变化的趋势。建模过程中强调对物理对象进行忠实描述的重要性,采用分形描述来体现固体表面粗糙特征的多尺度本质。本文提出了接触界面热阻温度依赖性的一种解释,弥补了传统统计模型的不足。从实验研究的角度上,本文讨论了界面层热阻的调制激光光热测量方法,通过实验结果论证了其应用于低温环境的可靠性和优越性。 接触热阻还需要从其在传热系统中的作用来认识,而不仅仅是对其进行孤立的分析。文章最后讨论接触界面热阻在实际超导磁储能引线系统优化中的影响,分析说明了预测和控制传热系统中接触界面层热阻的重要性。


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