降低固-固界面热阻方法研究进展

降低固-固界面热阻法是一种高效且应用广泛的减小器件传热阻力的方法。根据固-固界面状态增加界面的有效接触，可强化界面热传导。首先，概述了固-固界面热阻的产生机理；其次，梳理了界面状态（平面接触和沟槽接触）、粗糙度、界面压力、热界面材料等固-固界面热阻影响因素的作用机制；第三，介绍了降低固-固界面热阻方法的最新进展；最后，分析了降低固-固界面热阻研究存在的问题，并对其研究前景进行了展望，提出未来应从界面结构、压力/平面度、固-固接触材料本身的物性参数、超薄黏合层热界面材料等单独或共同作用的方向上深化降低界面热阻的研究，为其在强化电子散热领域的应用提供理论和实验支持。     

高压下碳纳米管阵列与金属接触热阻研究

碳纳米管具有很高的轴向热导率,近年来基于碳纳米管阵列的热界面材料得到了广泛的关注.但碳纳米管阵列与金属间的接触热阻较大,通常在10mm~2·K/W以上,限制了其实际应用.目前通过化学成键等方法可将其界面热阻降至0.6mm~2·K/W,但这些方法都需要牺牲碳纳米管耐高温的特点.为保证其耐高温特性,通过施加压力的方法降低了碳纳米管阵列与金属间的接触热阻.对于高度为800μm的碳纳米管阵列,当压力为1.49 MPa时,测量得到的碳纳米管阵列-Au界面接触热阻为1.90~3.51mm~2·K/W,接近化学成键法的结果并且远小于小压力作用下的热阻,这一结果为进一步减小碳纳米管的接触热阻提供了新的思路.     

定型相变热界面材料:低密度聚乙烯/石蜡/铝复合材料

热界面材料在电子器件热管理中起着至关重要的作用，可显著降低接触热阻。由于固–液接触面之间的接触热阻比固–固接触面小得多，但传统的固–液相变材料存在易泄漏问题。因此，本研究工作研制了一种导热增强的定型相变热界面材料。通过石蜡(PW)和低密度聚乙烯(LDPE)的熔融共混，提高了PW的稳定性，PW/LDPE复合材料的泄漏率仅为0.8%，添加15wt%的Al粉提高其导热系数67%。此外，系统地研究了Al粉的添加对PW/LDPE基体的内部结构、热性能和相变行为的影响。系列结果证实，形状稳定的PW/LDPE/Al热界面材料在电子器件热管理领域具有良好的应用潜力。     

封闭加固型计算机板卡锁紧结构接触热阻分析

针对封闭加固型计算机芯片冷板和机箱导轨间的界面传热问题，利用有限元软件对两种常用的导轨锁紧结构(3J和5J结构)进行了建模与分析，通过比较接触压力和接触热阻分布特点，发现在相同条件下5J结构具有更低的接触热阻.随后，以5J结构为研究对象，详细分析了螺栓扭矩和表面粗糙度对其接触热阻的影响，发现增加螺栓扭矩或减小表面粗糙度虽然都可以减小接触热阻，但增加螺栓扭矩引起的热阻降幅较小，且还会产生较高的接触压力，不利于长期使用.原因分析表明:机箱导轨刚度不足是导致界面接触不均、热阻分布不均和平均热阻偏大的主要原因，因此对机箱导轨的结构与尺寸进行了优化.计算表明，优化后的结构不仅显著降低了接触热阻，而且大幅减小了界面接触压力，减小效果在螺栓扭矩较大、表面粗糙度较小时更为明显.     

基于接触热阻的CSMC热结构耦合分析

热载荷是影响中心螺线管模型线圈降温过程力学性能的关键因素,接触热阻作为热载荷的影响因素之一,其大小直接影响线圈部件接触界面的热流收缩率,并进一步影响模型线圈的预紧功能.采用多点接触热阻理论计算模型线圈降温过程中预紧部件之间的接触热阻;然后使用罚函数法计算接触热阻作用下界面的温度场分布;最后基于耦合场理论创建热结构耦合计...     

新型铜颗粒填充的液态金属热界面材料导热性能实验研究

为强化界面传热,研制了一种以铜颗粒为填充材料、Ga62.5In21.5Sn16液态金属为基体的新型复合热界面材料,并对其导热性能进行了测试。首先将所制备的热界面材料放置在两片铜片之间,制备3层结构试样,然后利用激光导热仪测量所制备试样的导热性能,并计算相应试样的接触热阻。实验结果表明:铜颗粒填充型液态金属可以大大提高氧化后液态金属作为热界面材料的性能,利用铜粉质量分数分别为5%和10%的液态金属所制备的试样,导热系数和接触热阻分别为(200.33±15.66)、(233.08±18.07)W/(m·K)和(7.955±0.627)、(5.621±0.437)mm2·K/W,较利用氧化后液态金属所制备试样的导热系数分别约提高了68%和96%,接触热阻分别约降低了57%和70%,并可以有效降低液态金属的流动性,从而减少液态金属在使用过程中溢出现象的发生。     

累托石镁热还原制备Si/C复合材料及其电化学性能

以累托石为原料,通过镁热还原制备多孔单质硅,然后以葡萄糖为碳源进行热处理覆碳制备Si/C负极材料。采用XRD、BET、SEM、TG分析了镁热还原条件对材料结构的影响,利用电化学工作站和电池充放电测试系统考察了Si/C负极材料的电化学性能。研究表明,累托石镁热还原的多孔硅的孔容、平均孔径、硅含量对Si/C复合材料的电化学性能有重要影响。随着镁热还原过程中金属镁质量的增加,制备的Si/C负极材料的电化学性能先增加后降低,当累托石与金属镁质量比为1∶0. 4时,制备的复合材料电化学性能最佳,在电流密度为0. 1 A/g时,材料首圈比容量最高可达1 120 mAh/g,循环200圈比容量仍能保持555 mAh/g。     

航空刹车用C/C复合材料断口分析

利用SEM断口形貌分析了现役航空刹车用C/C复合材料的结构和界面结合状况,探讨了其断裂机理,分析了化学气相沉积炭的沉积机理.结果表明:C/C复合材料的断裂以"弱界面断裂"为主.裂纹优先在基体炭、炭布层间或长纤维束和短纤维间的弱界面等薄弱环节处产生.当裂纹尖端扩展到基体炭中的微裂纹处时,裂纹扩展转向;当裂纹扩展到纤维时,取道纤维与基体炭间弱界面层向前扩展,纤维经历与基体炭脱粘、弯曲、拔出、断裂等过程,导致整个材料断裂.航空刹车用C/C复合材料中的CVD炭以粗糙层状结构为主,CVD过程包括碳氢气体热解、成核、炭化、沉积生长等过程,其中,成核以物理成核为主.图2,表1,参16.     

基于保护平面热源法的防隔热材料热物性测量

提出了一种可同时测量材料热导率、热扩散率并同步估计接触热阻影响的保护平面热源法.首先,建立了能够评估接触热阻影响的热传导模型;其次,设计并搭建了用于实验验证的热物性测量装置,其中的核心部件测温探头采用了附着于陶瓷基底的刻蚀双螺旋铂金属丝结构,可同时实现加热及测温;最后,利用此装置对2种标准材料在常温及1,200,℃下的热物性进行了测量.测量结果表明,由于该方法能同时考虑接触热阻的影响,热导率及热扩散率的测量误差可分别控制在5%及10%以内.因此,考虑实际存在的接触热阻可以提高热物性测量的准确度;接触热阻会受试样与探头接触紧密程度的影响,并最终对热物性测量准确度造成影响,良性接触是保证热物性高精度测量的关键.     

接触热阻对超声速飞行器结构响应分析的影响

在超声速飞行中,界面间接触热阻对结构传热有重要的影响。在超声速飞行器设计与安全评估中,需要准确判断接触热阻对结构响应的影响。为此,形成考虑接触问题的热力直接耦合有限元计算方法,建立了超声速飞行器前缘结构局部模型,通过CMY(Copper-Mikic-Yovanovich)模型获得了界面间接触热阻,计算了超声速飞行中考虑与不考虑接触热阻时飞行器前缘的结构响应。结果表明:在仿真中考虑接触热阻大幅改变了结构的温度与应力响应,并增强了温度场与应力场间的双向耦合关系。同时,载荷大小决定了接触热阻对结构应力场的影响程度。     

碳纳米管增强一维高导热C/C复合材料的微观结构与物理性能

以中间相沥青基炭纤维和中间相沥青为主要原料,并添加一定量多壁碳纳米管,通过热压成型和高温热处理工艺制备一维高导热C/C复合材料。采用偏光显微镜、扫描电镜、激光热导仪、电子万能试验机等对复合材料的微观结构、导热性能和力学性能进行表征。结果表明,碳纳米管的添加导致复合材料的孔隙率下降和体积密度升高,而且对复合材料的力学性能及不同方向的导热性能都有显著影响。随着碳纳米管添加量的增加,复合材料沿炭纤维轴向的室温热扩散系数逐渐降低,而垂直于纤维轴向的抗弯强度和室温热扩散系数均呈现先上升后下降的趋势。经过2900℃石墨化处理后,添加体积分数3%碳纳米管的复合材料垂直于纤维轴向的抗弯强度为113.4 MPa、热扩散系数为40.1mm~2/s,较未掺杂碳纳米管时分别提高了56%和79%。     

基于重要抽样法的热防护系统热可靠性评估方法

热防护系统的可靠性直接影响到高超飞行器的安全性和结构完整性。为提高热防护系统可靠性分析的效率,在之前研究的基础上提出了基于重要抽样(Importance Sampling,IS)的热可靠性评估方法,给出了该方法的具体实施流程和评价方法,有效解决蒙特卡洛法(Monte Carlo method,MC)对于低失效概率问题分析效率过低的问题。以典型的非烧蚀热防护系统为例,在考虑材料、几何尺寸不确定性的情况下进行了热可靠性分析,验证文中方法的有效性。计算结果表明,要得到同等置信度的失效概率结果,重要抽样法所需的抽样次数仅为传统蒙特卡洛法10%,大大提高了可靠性分析的效率。     

一体化热防护系统试验与数值分析研究

陶瓷盖板式一体化热防护系统(Integral Thermal Protection Systems,ITPS)具有多层结构,材料物理性能差异大,其表面承受气动热和气动压力的共同作用,同时在外边界还具有辐射、对流换热等。提出在ITPS表面同时施加温度和力载荷方法,应用数值分析方法给出最佳的力加载区域,最后对试验结果与数值分析结果进行比较,二者误差在8%以内。对于ITPS的结构优化设计具有较好的理论参考价值。     

刚性陶瓷瓦热防护系统概率设计分析方法

针对高超声速飞行器中广泛应用的陶瓷瓦热防护系统,结合有限元法和蒙特卡洛模拟建立了其概率热分析系统,提出了刚性陶瓷瓦热防护系统尺寸概率设计方法。建立了刚性陶瓷瓦热防护系统的二维有限元模型,考虑了热传导系数、比热容和表面辐射率等材料属性参数以及热防护系统各层厚度的不确定性,得到系统温度场的概率分布特性和系统热防护性能对各参数的灵敏度,并对系统的热可靠性进行了评估。算例表明:文中提出的方法对热防护系统设计过程中合理确定陶瓷瓦厚度和在保证系统性能的前提下有效减轻重量具有指导价值。     

碳纳米管增强气凝胶隔热复合材料的性能研究

以碳纳米管为增强相,通过溶胶-凝胶和常压干燥制备出碳纳米管增强SiO2气凝胶隔热复合材料,对复合材料的形貌和微观结构进行了表征,测试了材料的红外透射率、有效导热系数及抗压强度.研究结果表明加入碳纳米管后气凝胶平均孔径略有减小、红外辐射遮挡效率提高,使碳纳米管增强气凝胶复合材料具有超级绝热性能;而且碳纳米管明显改善了气凝胶的抗压强度,如加入1wt%碳纳米管后气凝胶在10%形变下的抗压强度提高了1.7倍.     

碳纳米管复合材料的有效热导率

考虑到碳纳米管的空间取向分布特征,建立了碳纳米管复合材料的有效热导率模型。根据Maxwell理论,推导出了计算碳纳米管复合材料有效热导率的简单公式。应用实例表明,该模型能够很好地解释在碳纳米管纳米流体中观察到的热导率异常增加现象,还可以用来分析纳米管复合材料的渗流性质,而且理论计算结果与实验结果吻合较好。     

高超声速飞行器热防护系统分析与数值计算

 针对大气环境内吸气式高超声速飞行器热防护要求,得出前缘、下表面和上表面的热防护结构应分别采用碳/碳(C/C)防热材料、刚性陶瓷防热瓦材料和柔性隔热毡材料。基于Abaqus 分析软件建立以机身为主的热分析有限元模型,计算了高超声速飞行器在典型气动加热载荷情况下的温度场分布和在整个飞行过程中温度的变化情况。通过温度分布得到机身前缘的峰值温度达1637℃,上下表面峰值温度分别为635、805℃,验证了本研究提出的热防护结构形式的有效性。通过温度与时间曲线得出飞行500 s 左右时,飞行器前缘及上下表面温度急剧增加、温度梯度大,500~1500 s 期间持续高温,在1500 s 后温度迅速降低。同时建立了C/C、陶瓷瓦及柔性隔热毡3 种典型耐高温材料的传热模型,对其防热结构的防热效率进行评估,得到其最佳的防热材料厚度为57.6、52.9、53.3 mm,可为防热结构的设计提供参考。     

不同结构单壁碳纳米管热传导的分子动力学模拟

采用基于线性响应理论的平衡态分子动力学方法,计算了扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管(SWNTs)的导热系数,并给出其随管长、直径和温度的变化.在此基础上,对2种结构SWNTs的热传导性能进行了比较.模拟结果表明:SWNTs的导热系数在管长较短时随着管长的增加有所浮动但并不收敛,随温度的升高,导热系数将降低;2种结构SWNTs的导热系数均随着直径的减小而升高,且在相同直径时,不同结构碳纳米管的导热系数相差不大,这与输运方程进行理论求解的结果较为一致.     

A positive-temperature-coefficient electrode with thermal protection mechanism for rechargeable lithium batteries

A new positive-temperature-coefficient(PTC) material was prepared simply by blending of conductive Super P carbon black(CB) with insulating poly(methyl methacrylate)(PMMA) polymer matrix,which was empolyed as a coating layer on the aluminium foil substrate to fabricate a sandwiched Al/PTC/LiCoO2 cathode.The experimental results from cyclic voltammetry,charge-discharge measurements and impedance spectroscopy demonstrated that the PTC electrode has a normal electrochemical performance at ambient temperature,but shows an enormous increase in the resistance at the temperature range of 80?120℃.This PTC behavior greatly restrains the reaction current passing through the electrode at elevated temperatures,capable of acting as a self-actuating safety mechanism to prevent the battery from thermal runaway.     

对火电行业征收碳税的利润最大化模型

煤炭是中国最重要的能源,而电煤是我国煤炭消耗中的主要组成部分,排放大量的温室气体;在低碳经济模式下,征收碳税将成为实现低碳的一种重要手段.本文通过构建火电行业的利润最大化模型,采用比较静态分析方法分析了碳税对我国火电行业产业的影响.结果表明:1)碳税税率A的增加,火电行业的生产成本(碳税)将增大,为了获得最大化利益,火电企业将采取措施降低碳排放量,减少支出;2)降低碳排放系数α,增加发电机组、人力、物流运输等投入,更新机组,采用低碳能源发电,减少碳税成本.