纳米尺度点接触热量输运过程的研究

摘要

在低温工程、航天航空、核工业、微电子系统等领域，接触热阻均具有重要的研究价值。微纳米尺度下，传统的接触热阻测量方法已难以满足要求，因此需要开发新的测量方法。文章在已有研究成果的基础上，提出了十字交叉微米线结构，测量了交叉微米线形成的接触热阻，进而分析了接触力、接触面积与接触热阻之间的相互关系。
　　研发了十字交叉微米线结构用于测量线性材料形成的点接触热阻。根据3ω法测量材料热物性的基本原理，本文推导了十字交叉微米线结构的理论公式，并分析了表面辐射损失、接触位置偏差等因素对理论计算结果的影响。分析表明:接触位置偏差将导致计算得到的接触热阻小于真实值，表面辐射损失对计算结果的影响几乎可以忽略不计。
　　建立了十字交叉微米线结构模型，并采用ANSYS软件对交叉结构形成的点接触传热过程进行模拟。模型考虑了弯曲挠度对接触面积的影响，仿真结果表明:当转角小于4.85°时，弯曲挠度对接触热阻影响可以忽略。由于实际接触表面粗糙，模拟得到的接触热阻小于实验得到的结果。根据十字交叉微米线结构测量接触热阻的理论原理，设计了实验系统，测量了两根交叉Pt微米线形成的接触热阻。实验结果表明:在接触力较小时，接触热阻和接触电阻近似满足Wiedemann-Franz定律，但随着接触力变大，接触热阻急剧减小，并趋于稳定;由于存在绝缘层的影响，接触热阻将远大于理论预测结果，Lorenz数稳定在(4～5)×10-8 WΩ K-2之间。
　　在以上测量方法的基础上，分别测量了经过酸处理、碘掺杂处理、机械加捻处理的定向碳纳米管纤维的热导率。研究结果表明:相对于碳纳米管之间的接触热阻，碳纳米管的固有热导率在纤维的有效热导率中占主导地位。室温下，声子散射在碳纳米管热输运中起到主要作用，杂质散射影响较小。碳纳米管纤维的有效热导率随着孔隙率增加将呈指数下降，当孔隙率小于0.5时越为明显。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究历史及进展

1．2．1 理论模型

1．2．2 稳态测量方法

1．2．3 瞬态测量方法

1．2．4 微纳米尺度下接触热阻测量方法

1．3 研究内容及方法

1．3．1 理论推导与模型仿真

1．3．2 装置设计与实验测量

1．4 内容安排

第二章 交叉微米线结构的理论分析

2．1 稳态导热下的理论分析

2．1．1 控制方程建立

2．1．2 节点位置偏差对结果的影响

2．1．3 热辐射损失对结果的影响

2．2 非稳态导热下的理论分析

2．2．1 理论模型建立

2．2．2 求解控制方程

2．2．3 理论误差分析

2．3 本章小结

第三章 接触热阻有限元仿真与分析

3．1 仿真力学模型建立

3．1．1 建立力学模型

3．1．2 力学模型公式推导

3．2 数据模型建立与有限元仿真

3．2．1 数据模型建立

3．2．2 网格划分

3．3 仿真与结果分析

3．3．1 仿真过程

3．3．2 仿真结果分析

3．4 本章小结

第四章 微米线接触热阻实验测量与分析

4．1 实验系统

4．11 点测量装置设计

4．1．2 数据测量与采集系统设计

4．2 Pt微米线接触热阻测量

4．2．1 实验原理

4．2．2 实验测量

4．2．3 实验结果分析

4．3 改进实验分析

4．4 本章小结

第五章 碳纳米管纤维热导率测量与分析

5．1 碳纳米管纤维制备与处理

5．1．1 碳纳米管纤维概述

5．1．2 碳纳米管纤维制备

5．1．3 碳纳米管纤维的后期处理

5．2 实验测量

5．2．1 实验原理

5．2．2 实验系统

5．2．3 实验过程及结果

5．3 分析与讨论

5．3．1 拉曼光谱分析

5．3．2 缺陷对热导的影响

5．3．3 孔隙率与有效导热率的关系

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的学术成果