Теплопроводность контакта

Изучение теплопроводности между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте

В физике , тепловая контактная проводимость - это изучение теплопроводности между твердыми или жидкими телами в тепловом контакте . Коэффициент тепловой контактной проводимости , , является свойством , указывающим теплопроводность , или способность проводить тепло , между двумя телами в контакте. Обратное этому свойству называется тепловым контактным сопротивлением . ${\displaystyle h_{c}}$

Определение

Рис. 1: Тепловой поток между двумя соприкасающимися твердыми телами и распределение температуры.

Когда два твердых тела соприкасаются, например, A и B на рисунке 1, тепло перетекает от более горячего тела к более холодному. Из опыта следует, что температурный профиль вдоль двух тел изменяется примерно так, как показано на рисунке. На границе между двумя соприкасающимися поверхностями наблюдается падение температуры. Говорят, что это явление является результатом теплового контактного сопротивления, существующего между соприкасающимися поверхностями. Тепловое контактное сопротивление определяется как отношение между этим падением температуры и средним тепловым потоком через границу. ^[1]

Согласно закону Фурье , поток тепла между телами находится по соотношению:

где — тепловой поток, — теплопроводность, — площадь поперечного сечения, — градиент температуры в направлении потока. ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle dT/dx}$

Из соображений сохранения энергии тепловой поток между двумя соприкасающимися телами, телами А и В, определяется как:

Можно заметить, что тепловой поток напрямую связан с теплопроводностями соприкасающихся тел, и , площадью контакта , и термическим контактным сопротивлением, , которое, как отмечалось ранее, является величиной, обратной коэффициенту теплопроводности, . ${\displaystyle k_{A}}$ ${\displaystyle k_{B}}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle 1/h_{c}}$ ${\displaystyle h_{c}}$

Важность

Большинство экспериментально определенных значений теплового контактного сопротивления лежат в диапазоне от 0,000005 до 0,0005 м ² К/Вт (соответствующий диапазон тепловой контактной проводимости составляет от 200 000 до 2000 Вт/м ² К). Чтобы узнать, является ли тепловое контактное сопротивление значительным или нет, величины тепловых сопротивлений слоев сравниваются с типичными значениями теплового контактного сопротивления. Тепловое контактное сопротивление является значительным и может доминировать для хороших проводников тепла, таких как металлы, но может пренебрегаться для плохих проводников тепла, таких как изоляторы. ^[2] Тепловая контактная проводимость является важным фактором в различных приложениях, в основном потому, что многие физические системы содержат механическую комбинацию двух материалов. Некоторые из областей, где контактная проводимость имеет значение, включают: ^{[3] [4] [5]}

• Электроника
  • Электронная упаковка
  • Радиаторы
  • Скобки
• Промышленность
  • Охлаждение ядерного реактора
  • Охлаждение газовой турбины
  • Двигатели внутреннего сгорания
  • Теплообменники
  • Теплоизоляция
  • Прессовая закалка автомобильных сталей
• Полет
  • Гиперзвуковые летательные аппараты
  • Тепловой контроль за космическими аппаратами
• Жилищная/строительная наука
  • Эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций зданий

Факторы, влияющие на контактную проводимость

Рис. 2: Увеличенное изображение интерфейса между двумя контактирующими поверхностями. Качество отделки преувеличено ради аргумента.

Теплопроводность контакта — сложное явление, на которое влияет множество факторов. Опыт показывает, что наиболее важными из них являются следующие:

Контактное давление

Для теплового переноса между двумя контактирующими телами, такими как частицы в гранулированной среде, контактное давление и площадь истинной контактной поверхности, которая возникает из этого, являются факторами, оказывающими наибольшее влияние на общую контактную проводимость ^{[6] . Регулируемая} нормальной контактной жесткостью интерфейса , по мере роста контактного давления увеличивается истинная контактная поверхность и растет контактная проводимость (контактное сопротивление становится меньше). ^[7]

Поскольку контактное давление является наиболее важным фактором, большинство исследований, корреляций и математических моделей для измерения контактной проводимости выполняются как функция этого фактора.

Тепловое контактное сопротивление некоторых видов сэндвич-материалов, изготавливаемых методом прокатки при высоких температурах, иногда можно игнорировать, поскольку снижение теплопроводности между ними незначительно.

Интерстициальные материалы

На самом деле не существует по-настоящему гладких поверхностей, а поверхностные дефекты видны под микроскопом . В результате, когда два тела прижимаются друг к другу, контакт осуществляется только в конечном числе точек , разделенных относительно большими зазорами, как показано на рис. 2. Поскольку фактическая площадь контакта уменьшается, существует другое сопротивление для теплового потока. Газы / жидкости, заполняющие эти зазоры, могут в значительной степени влиять на общий тепловой поток через интерфейс. Теплопроводность интерстициального материала и его давление, рассматриваемые с помощью числа Кнудсена , являются двумя свойствами, определяющими его влияние на контактную проводимость и теплопередачу в гетерогенных материалах в целом. ^[7]

При отсутствии промежуточных материалов, как в вакууме , контактное сопротивление будет намного больше, поскольку преобладающим является поток через точки близкого контакта.

Шероховатость, волнистость и плоскостность поверхности

Поверхность, прошедшую определенные финишные операции, можно охарактеризовать тремя основными свойствами: шероховатостью, волнистостью и фрактальной размерностью . Среди них шероховатость и фрактальность имеют наибольшее значение, причем шероховатость часто указывается в терминах среднеквадратичного значения , а фрактальность поверхности обычно обозначается как D _f . Влияние поверхностных структур на теплопроводность на интерфейсах аналогично концепции электрического контактного сопротивления , также известного как ECR , включающего ограниченный контактным пятном транспорт фононов , а не электронов. ${\displaystyle \sigma }$

Деформации поверхности

Когда два тела соприкасаются, на обоих телах может возникнуть поверхностная деформация . Эта деформация может быть как пластической , так и упругой , в зависимости от свойств материала и контактного давления. Когда поверхность подвергается пластической деформации, контактное сопротивление снижается, поскольку деформация приводит к увеличению фактической площади контакта ^{[8] [9]}

Чистота поверхности

Присутствие частиц пыли , кислот и т. д. также может влиять на проводимость контакта.

Измерение теплопроводности контакта

Возвращаясь к формуле 2, расчет проводимости теплового контакта может оказаться сложным, даже невозможным, из-за трудности измерения площади контакта (произведение характеристик поверхности, как объяснялось ранее). Из-за этого проводимость/сопротивление контакта обычно определяется экспериментально, с использованием стандартного прибора. ^[10] ${\displaystyle A}$

Результаты таких экспериментов обычно публикуются в технической литературе , в таких журналах , как Journal of Heat Transfer , International Journal of Heat and Mass Transfer и т. д. К сожалению, централизованной базы данных коэффициентов контактной проводимости не существует, что иногда заставляет компании использовать устаревшие, неактуальные данные или вообще не принимать во внимание контактную проводимость.

CoCoE (Contact Conductance Estimator) — проект, призванный решить эту проблему и создать централизованную базу данных данных о контактной проводимости и компьютерную программу, которая ее использует, — был запущен в 2006 году .

Тепловая граничная проводимость

В то время как конечная тепловая контактная проводимость обусловлена ​​пустотами на границе раздела, волнистостью поверхности, шероховатостью поверхности и т. д., конечная проводимость существует даже на почти идеальных границах раздела. Эта проводимость, известная как тепловая граничная проводимость , обусловлена ​​различиями в электронных и вибрационных свойствах между контактирующими материалами. Эта проводимость, как правило, намного выше, чем тепловая контактная проводимость, но становится важной в наномасштабных материальных системах.

Смотрите также

• Передача тепла

Ссылки

1. Холман, Дж. П. (1997). Теплопередача, 8-е издание . McGraw-Hill .
2. Ченгель. Введение в термодинамику и теплопередачу .
3. Флетчер, Л.С. (ноябрь 1988 г.). «Последние разработки в области контактной проводимости теплопередачи». Журнал теплопередачи . 110 (4b): 1059–1070. Bibcode : 1988ATJHT.110.1059F. doi : 10.1115/1.3250610.
4. Мадхусудана, CV; Линг, FF (1995). Тепловая контактная проводимость . Springer .
5. Ламберт, MA; Флетчер, LS (ноябрь 1997 г.). «Тепловая контактная проводимость сферических шероховатых металлов». Журнал теплопередачи . 119 (4): 684–690. doi :10.1115/1.2824172.
6. Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Gan, Yixiang (2017). «Контактная жесткость многомасштабных поверхностей с помощью анализа усечения». International Journal of Mechanical Sciences . 131–132: 305–316. doi :10.1016/j.ijmecsci.2017.07.018.
7. Gan, Y; Hernandez, F; et al. (2014). «Анализ теплового дискретного элемента твердотельного бланкета размножителя ЕС, подвергнутого нейтронному облучению». Fusion Science and Technology . 66 (1): 83–90. arXiv : 1406.4199 . Bibcode : 2014FuST...66...83G. doi : 10.13182/FST13-727. S2CID  51903434.
8. Уильямсон, М.; Маджумдар, А. (ноябрь 1992 г.). «Влияние поверхностных деформаций на контактную проводимость». Журнал теплопередачи . 114 (4): 802–810. doi :10.1115/1.2911886.
9. Heat Transfer Division (ноябрь 1970 г.). «Проводимость в твердых телах — устойчивое состояние, несовершенный контакт поверхностей металла с металлом». General Electric Inc.
10. ASTM D 5470 – 06 Стандартный метод испытаний теплопередающих свойств теплопроводящих электроизоляционных материалов

Внешние ссылки

• Проект CoCoE — Бесплатное программное обеспечение для оценки TCC