固—固接触热阻的平面近场热辐射耦合效应研究

发布时间：2020-10-08 15:09

　　 接触传热现象广泛存在于能源、微电子封装、航空航天、低温工程等众多工程领域,其中接触热阻是衡量界面热传递效率的重要指标之一,然而接触热阻的准确预测与有效测量始终是系统热管理中的瓶颈问题。接触热阻的机理非常复杂,它是几何、力、热三重相互用下的结果,一般情况下接触界面存在着热传导、热对流、热辐射三种热输运模式。以往的接触热阻研究都通常忽略界面热辐射的影响。随着微/纳米技术的发展,已有理论及实验表明,微纳米间距下的辐射传热(近场热辐射)的热流密度可超出黑体辐射极限的热流密度数个量级。本文主要以固-固接触界面为对象,将非接触区域微间隙的热传递模拟为接触均平面间的近场热辐射,并以此来考虑界面间非接触区域的近场热辐射效应对接触界面热传递的影响,开展了基于经典接触热传导理论结合近场热辐射理论的固-固接触热阻的平面近场热辐射耦合效应研究,从理论上分析了接触界面中的粗糙点接触热传导与间隙热辐射各自的热传递贡献程度及其耦合协同效应。具体的研究内容主要有以下两方面:1、研究了几种工程常见的金属同种材料间的界面接触耦合传热。在接触界面中,接触热阻被视为接触区域粗糙点接触形成的传导热阻与非接触区域间辐射热阻的并联。采用CMY TCR理论模型分析了实际微单元点触碰区域所产生的传导热阻。另一方面,使用波动电动力学从头算的方法分析了非接触区域的近场热辐射。分别计算了铝-铝、铜-铜、银-银、铅-铅的传导热阻和近场热辐射,其中对铝的接触热阻进行了深入的分析与讨论,探究了界面两种模式下的传热贡献以及近场热辐射在何种情况下需要被考虑。2、研究了电子领域中典型的非金属(如硅、二氧化硅、碳化硅)异种材料间的界面接触耦合传热。同时考虑了表面拓扑形貌、温度、近场热辐射对接触热阻的影响。在接触热传导方面,模拟构建几种参数不同的各向同性的类分形随机粗糙表面,并使用它们相应的表面粗糙度功率谱作为输入来计算实际接触区域的热传递系数。在非接触区域考虑了近场热辐射的贡献并采用了近似法来计算粗糙表面对热辐射的散射效应。由于材料上的非对称性接触,并考虑了温度效应,该研究也涉及到了以往在界面传热研究中观察到的一些复杂现象如辐射热整流、接触热阻与热流方向相关等。最后,探究了界面接触热阻的近场热辐射耦合效应。
【学位单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

接触热阻及其传热机理示意图

一致粗糙表面的固-固接触界面示意图

模拟的随机粗糙表面

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 张平;宣益民;李强;;界面接触热阻的研究进展[J];化工学报;2012年02期

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1 冯冲;微纳器件中近场热辐射现象及其测试技术研究[D];大连理工大学;2013年

本文编号：2832385