接觸熱導

接觸熱導

當熱流通過兩物體的接觸表面時,由於表面接觸不完全而導致熱流線收縮,因此交界面產生明顯的溫度降,這樣形成的熱阻稱為接觸熱阻。隨著科學技術的發展,接觸熱阻問題在科學研究及工程實踐上,越來越得到重視。宇航、航空、核反應工程,電子技術、化工、機電、傳熱設備等工程上都需要減少接觸熱阻來加大熱通量,建立良好的導熱通路。另一方面,在低溫貯藏、冷凍、保溫隔熱等工程中,又需要增加接觸熱阻,達到熱絕緣的目的。由此可見,在許多熱設計和熱分析中,接觸熱導是十分重要的設計參數。

分類

從換熱角度來看,兩物體表面間的接觸可簡單分為以下三種情況:(1)兩接觸表面間既無外力連結,又無介質存在,此時的換熱效果最差,(2)兩表面間完全焊接為一體,連結後其換熱效果最好,(3)介予上述兩種極端情況之間,也是工程中常遇到的。當兩物體表面接觸在一起時,實際接觸面積與材料性質、表面粗糙度、表面平整度、接觸壓力等因素有關。從微觀來看,表面形貌並不平滑,而是非常凹凸不平,實際接觸面積只有名義接觸面積的0.1%。  

主要形式

接觸面問的熱交換主要通過以下三種方式進行:(1)熱流通過實際接觸面積的固體傳導,(2)熱流通過空隙中的圈體、流體及氣體填料進行熱傳遞,(3)裂縫間的熱輻射。  

影響因素

影響接觸熱導的因素主要有接觸界面的溫度、接觸副的熱物性、接觸副的力學性能、接觸壓力以及載荷載入步驟等。

粗糙表面間的接觸熱導不僅僅與接觸載荷、間隙介質等外在因素有關,還與接觸界面的溫度有關,而溫度對接觸熱導的影響主要體現在如下幾個方面:

(1)溫度影響接觸副的導熱係數。通常,物質的導熱係數隨溫度具有一定的變化規律,接觸熱導與接觸副的等效導熱係數成正比,因此接觸副的導熱係數越大,接觸熱阻也越大。

(2)溫度影響接觸副的力學性能。對於大部分的金屬材料而言,隨著溫度的升高,其塑性增加,硬度下降,因此,在相同載荷下,溫度越高,接觸副之間的接觸面積越大,接觸熱導越大。

(3)溫度影響接觸間隙之間的輻射傳熱。根據本文的計算分析,以及文獻報導,在常溫和低溫情況下,輻射換熱在接觸換熱中所占的比例非常小,完全可以忽略,但是在高溫條件下(大於400K)輻射的影響是值得考慮的。

(4)溫度影響接觸副的表面形貌。對接觸副(多晶體固體)加熱前後的表面微觀情況進行了比較,發現加熱之後,表面輪廓算術平均偏差以及表面微觀不平度十點高度均有下降,作者所測得的一系列實驗數據表明,隨著溫
度的升高接觸熱導逐漸升高。

接觸熱導主要與接觸載荷、接觸副硬度、接觸副等效導熱係數相關。而後兩個參數與接觸副的溫度相關,通常,溫度對等效導熱係數的影響較小。然而,溫度對接觸副硬度的影響則較為複雜,相關資料較少,因此很難定量分析接觸副硬度對接觸熱導的影響。對於金屬材料而言,隨著溫度升高,材料的塑性增加,硬度下降。因此,接觸熱導隨著溫度的升高而增大,其變化規律受到硬度一溫度關係的約束。  

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