穩態法接觸熱阻測試試驗研究

謝明君，邊燕飛，蔡萌

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

兩個固體表面進行相互接觸，從微觀角度分析，接觸表面都是粗糙不平。由于界面接觸的不完全性，進而導致接觸界面熱流的收縮，進而產生接觸熱阻。相關研究表明，接觸熱阻是受材料的物性、接觸表面的粗糙度、溫度、接觸壓力和環境等眾多因素影響的。對界面接觸熱阻的研究牽涉其他多個領域，如低溫冷卻、機械設計、電子冷卻、化學、微觀物理學以及材料學。

接觸熱阻的研究集中在理論研究、數值模擬、試驗研究以及接觸換熱填料研究等方面。國內外針對接觸熱阻的試驗測試方法主要分為兩大類：穩態法和瞬態法。穩態法指基于美國國家標準ASTM E1105 和ASTM-5470-6 的一維穩態測量法。瞬態法主要有激光光熱法、熱成像法、“flash”閃光法等。

1 穩態法測量原理

一維穩態測量法的工作原理為在兩接觸樣品上維持一定的溫差，測量兩樣品軸向上的溫度值，再由傅里葉定律外推至接觸界面處從而得到界面上的溫差；熱流密度可由熱流計測量并計算得到。如圖1 所示。當兩個等截面的固-固界面在受到外界一定載荷壓力時，相互接觸，并且有熱量的傳遞，由于熱量只能夠進行單方向的傳遞，試件的周圍絕熱，這樣熱流在試件中沿軸向傳遞。盡管在接觸界面附近由于熱流線的收縮，少部分的熱流是三維的，但是，熱量離開接觸面后，熱流又是一維的。這樣，從宏觀角度分析，可以將這類問題按照一維導熱問題進行處理。

圖1 ASTM D5470-06界面熱阻測試原理圖

2 問題分析

要提高穩態法測量的精度，必須減少上下熱流計對周邊空氣的熱對流和熱輻射，使熱流盡可能沿一維方向傳播。常規的做法是在測試罩內抽真空至10-4Pa，采用高真空度的方式降低對流換熱和輻射。高真空度帶來測試系統造價和復雜度急劇上升，同時，單個測試工況抽真空所需時間在8 小時以上，測試成本過高，不利于大規模開展測試試驗研究。

3 溫度補償方案設計

在常溫常壓下測試，可以降低高真空度帶來的弊端，同時，節約測試時間。測試臺熱流計的一面加熱，一面冷卻，當熱量從熱面傳遞到冷面的過程中，會產生對周邊空氣的徑向散熱，需要采取措施降低熱對流和熱輻射帶來的熱量損失以保證測試精度。

為了降低熱流計周邊熱損失，將測試區置于一有機玻璃罩子內，采用Aspen Aerogel 氣溶膠（導熱系數為0.013W/m.k）對熱流計進行包裹，最外層包裹高反射鋁箔。測試區如圖2所示。

圖2 接觸熱阻測試臺

為了降低待測樣品周邊熱損失，設計了溫度補償器：在待測樣品周圍布置一環形裝置，內嵌電阻絲，包住試樣，使試樣處于一個相對密封，溫度可控的環境中，采用PID 調節，自動控制環境溫度用溫度使環境溫度和試樣平均溫度接近，從物理方面修正試樣熱流，如圖3 所示，溫度補償器指標詳見表1。

圖3 溫度補償器示意圖

表1 溫度補償器指標

3.1 溫度仿真

加熱功率為10W，采取20mm 厚Aspen Aerogel 的高反射鋁箔，設置溫度補償器控制溫度對應試件平均溫度，有機玻璃罩與外界無氣流交換，仿真結果見圖4，在測試區域內固體和氣體最大溫度差為0.239℃，樣件截面最大溫差為＜0.1℃，樣件截面溫差低意味著法向平面的漏熱非常小，認為熱量近似沿軸向一維方向傳輸。

圖4 熱流計截面溫度云圖

根據測試平臺的邊界條件設定瞬態熱仿真，加熱塊材質為紫銅，測試樣件為直徑25mm、長度100mm 的銅鎢合金，水冷塊材質為6061 鋁合金，供液流量為1.3L/min。溫度場隨時間變化如圖5 所示。

圖5 瞬態熱仿真溫度云圖

仿真結果顯示：在9600s 開始連續3 個10 分鐘周期內溫度變化小于0.1 ℃。因此，測試樣件測試時間t 穩≤2.67h。

4 測試驗證

為了驗證溫度補償方案效果，采用厚度為1mm 的Flextein? NS150 導熱橡膠墊作為測試對象，測試結果與桂林電子科技大學的高真空度接觸熱阻測試臺測試結果進行了對比，分別在5 ～50psi 的壓力條件下測試了接觸熱阻，數據詳見表2。

表2 測試結果對比

5 結語

采取溫度補償方案可以將穩態法常溫常壓下接觸熱阻測試數據誤差控制在5%內，單次測試時間降低50%以上，降低測試平臺成本25%以上，測試精度滿足工程應用的要求。