微结构接触界面热阻

微纳米结构的接触热传输是热电转换、超导冷却、集成芯片散热等高技术领域面临并必须着力解决的技术问题,它区别于宏观热传输,具有为尺度依赖效应和多个微观特征量。文中从微结构接触热传输阻力角度出发,探讨了接触热阻及界面热阻区别,阐释了微尺度的特征量,接触界面热阻实验及理论研究方法、实验参数的测量,接触热阻及界面热阻的材料选择。通过接触界面热阻这些方面的研究,为研究接触界面热阻研究提供了较全面的参考。     

超晶格结构对铝硅界面热阻的影响

近年来,提高微纳电子器件的散热和原子尺度界面热输运性能受到了广泛的关注,很重要的原因是界面热阻导致的微纳电子器件发热制约了性能的稳定性。因此,我们提出利用超晶格结构来降低界面热阻的方法。本文采用非平衡分子动力学模拟的方法,研究了室温(300 K)下硅同位素超晶格结构对铝硅界面热阻的影响。计算结果表明利用硅超晶格结构可以明显地降低铝硅界面热阻。并且对结果给予了讨论,这有助于更好地理解界面热输运的机制。     

高温超导直接冷却的氮化铝与无氧铜接触界面热阻的实验研究

氮化铝(AlN)具有高热导性、高电绝缘性,是超导二元电流引线热截流结构中常用的材料之一。根据稳态导热法建立低温真空实验装置,实验研究了超导冷却系统热截流结构中,界面温度和接触压力对AlN块材与无氧铜(OFHC-Cu)块材间接触界面热阻的影响。在实验温度(90K-210K)和压力(0.273MPa-0.985MPa)条件下,AlN/OFHC-Cu接触界面热阻随接触压力的提高而降低,而当界面温度上升时界面热阻由于热载子热运动的强化而降低,温度较高时,接触界面热阻随压力变化的速率趋缓。低温下AlN/OFHC-Cu间的接触界面热阻是直接冷却超导系统的设计和超导系统的热稳定性方面必需解决的问题。     

频率-电流扫描3ω法表征纳米薄膜界面热阻

纳米薄膜与基体之间的界面热输运是MEMS系统热管理和热设计的热点和难点。建立了频率扫描3ω法的热阻抗网络模型。利用频率-电流扫描3ω法和不同厚度薄膜试样得到单层纳米薄膜与基体之间的界面热阻。ZrO_2、SiO_2增透膜与基体之间的界面热阻分别为0.108 m~2·K·MW~(-1)和0.066 m~2·K·MW~(-1)。发现界面热阻与扫描频率无关,未发现界面热阻随膜厚变化的尺度效应。实验和理论分析表明,声子近界面效应在增透膜和基体界面的热输运过程中起主导作用。     

冲击压缩下金属/窗口界面热弛豫过程的热阻模型研究

 研究了金属/窗口界面在冲击压缩下的热弛豫过程。从热阻模型出发，给出了弛豫时间常数与界面热阻以及材料热输运系数之间的函数关系。讨论了本文模型与Grover和Urtiew模型之间的关系。对两种不同的实验记录图像进行了解释，对产生界面热阻的原因进行了初步分析。     

考虑界面接触热阻的一维复合结构的热整流机理

建立了考虑变截面、变热导率及界面接触热阻效应的组合热整流结构的温度场及热整流系数的理论模型和有限元解.数值算例证明了本文模型及算法的可靠性,进而通过参数影响研究确定了若干几何及材料参数对结构热整流系数的影响规律,揭示界面接触热阻对热整流效果的影响机理.研究结果表明长度比、截面半径变化率、热导率、边界条件温差和界面接触热阻等因素必须通过优化设计才能得到最大的热整流系数,同时界面接触热阻的引入也为调控热整流系数提供了一条新的途径.     

固-固接触界面热传输研究

提出了固-固接触热传导接触界面层的概念并进行了解释。接触界面层的建立,把微结构的散射和辐射热传导机制统一于界面层内,通过对接触界面层、接触界面层的厚度和界面层热导率等的讨论,初步揭示了接触界面层热传导的机制。在界面层微观传热的机制上,建立了接触界面层热阻预测模型,并把模型预测接触热阻值与扩散失陪模型(DMM)以及实验值进行了比较。结果显示该模型克服了DMM模型预测值偏低的缺陷,这些将对接触界面层的微尺度热分析有一定的帮助。     

基于铜粉改性的液态金属热界面材料导热性能实验

为强化液态金属作为热界面材料的导热性能,同时降低液态金属的流动性,本文制作了一种以液态金属Ga_(62.5)In_(21.5) Sn_(16)为基体,分别掺杂有0.5μm、5μm、50μm铜粉的热界面材料,并通过制作铜片-热界面材料-铜片(Cu-TIM-Cu)、铝片-热界面材料-铝片(Al-TIM-Al)两种三层试样,采用基于稳态的接触热阻测量方法对试样在0.05MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa压力下的接触热阻进行测量。结果表明,相同压力下,两种试样掺杂0.5μm铜粉后均能很大程度上降低固固界面之间的接触热阻,相比直接填充液态金属,铜试样的接触热阻分别减小了46.3%、47.9%、58.6%、66.9%、72.3%、69.8%,铝试样分别减小了31.7%、33.1%、32.9%、36.7%、32.4%、33.3%。而且,随着掺杂铜粉粒径的减小,液态金属热界面材料的导热性能逐渐增强;随着施加压力的增加,界面接触热阻呈逐渐减小的趋势。     

Al/GaN/Al_2O_3微纳米多层结构界面热阻实验重构

通过GaN基微纳米器件中纳米尺度界面的热输运成为微系统热管理和热设计的热点和难点,而通过GaN/Al_2 O_3之间界面热阻尚未测试。首先采用双波长TDTR方法测量了Al膜与GaN薄膜之间的界面热阻,然后借助热阻抗网络和参数敏感性分析,利用宽频3ω法对Al/GaN/Al_2 O_3多层薄膜结构内部界面热阻进行实验重构。两种方法测量的GaN/Al_2 O_3之间界面热阻量级相同,相互验证了测试结果的合理性。两种方法结合可实现微纳米多层结构多个热物性参数的精细描述。     

缺陷增强铜/金刚石界面热导的分子动力学研究

铜和金刚石热载流子不同且声子态密度差异大，限制了其界面热输运。本文采用分子动力学模拟对铜和金刚石的界面热输运机理进行探究，提出通过对界面附近纳米尺度的金刚石层添加缺陷来改善其与铜的界面声子耦合。计算结果表明，在缺陷浓度为0.08时，铜和金刚石的界面热导比未添加缺陷时提高了89.2%。并进一步发现，虽然有缺陷的金刚石薄层自身热导率有所下降但仍远高于一般的热界面材料，因此界面处的集总热阻仍然得到了大幅降低。     

直接冷却的高温超导磁体热稳定性有限元仿真

制冷机直接冷却超导磁体是一门新兴技术,研究超导磁体在直接冷却下的热稳定性具有重要意义。用有限元方法解决复杂边界问题的热力学问题非常有效,而有限元分析软件ANSYS能使得用有限元法解决问题更加方便。该文用有限元方法对直接冷却高温超导磁体进行了热稳定性数值仿真。仿真结果表明,在设定热负荷作用下,直接冷却的B i2223系高温超导磁体具有较好的热稳定性,磁体温度低于其临界温度。     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

35kJ高温超导储能磁体的优化设计

介绍了35kJ高温超导储能磁体的设计步骤。为了减少常规寻优方法的计算量,将加权粒子群优化算法(WPSO)引入到高温超导储能磁体的优化设计中,给出了用B i-2223超导线材进行35kJ储能磁体设计的优化结果,分析了高温超导线材的各向异性对磁体临界电流的影响,并比较了两种不同的单螺线管磁体结构在不同优化目标的情况下,超导线材用量和杂散磁场的分布的变化。     

低温热管传热性能的实验研究

热管是一种高效的传热元件,低温热管可望在超导磁体冷却、空间探索方面获得广泛应用.本文对热虹吸管的传热特性进行了实验研究.研究结果表明,在同样加热功率的条件下,与相同形状和尺寸的紫铜导热棒相比,在加热功率较高的条件下,低温热管的传热性能远远优于紫铜棒的传热性能,完全能够满足超导磁体的冷却要求.     

基于ANSYS的传导冷却超导磁体系统的热分析

在传导冷却超导磁体系统中,超导磁体与系统其它部分的温度平衡过程是依靠固体间的热传导来实现热量传递的。由于超导磁体和冷屏等低温部件冷却条件的差异,将导致磁体内部各处和冷屏不同部位的温度分布不均匀。分析研究超导磁体系统的低温温度分布状况,对于低温系统的热设计和磁体的温度裕度设计具有重要意义。文中借助于ANSYS有限元分析软件,建立了一个大口径传导冷却超导磁体低温系统的稳态三维热分析模型,仿真了超导磁体和冷屏的空间温度场,得到了传导冷却超导磁体低温系统的热分布规律。该分析结果对于大口径传导冷却超导磁体的低温系统设计具有重要的参考价值。     

梯形高温超导磁体电磁特性仿真与实验研究

超导电动悬浮列车以超导磁体作为核心部件, 具有环境影响小、 高速下自稳定、 安全性能好等优点, 已成为高速轨道交通的重要发展方向之一. 然而, 传统的磁体线圈结构存在绕组内磁场过于集中的问题, 导致磁体的临界电流下降显著, 列车的悬浮及安全性能也受到影响. 针对现有悬浮磁体结构自场集中导致的临界电流衰减问题,本文提出了一种梯形高温超导磁体线圈结构. 建立了一种可以提升磁体临界电流计算效率的均质自洽模型, 设计了梯形结构线圈的结构参数并完成了磁体线圈的绕制. 实验和计算结果表明, 自洽模型计算的磁体临界电流与实验测量值吻合良好, 验证了模型的准确性. 利用该模型对日本山梨试验线上的全尺寸车载高温超导磁体进行了结构优化设计. 研究发现, 优化后的车载磁体绕组内磁场集中程度明显下降, 车载磁体的临界电流及目标区域的磁场强度显著提高. 本研究相关成果可为电动悬浮列车车载磁体的结构设计提供参考.     

1.5T MRI超导磁体低温容器的拉杆设计与校核

1.5T MRI磁体系统冷重约为4吨,为提高该系统稳定性,采用环氧跑道拉杆结构.分析了磁体正常运行时拉杆上承受的重力、冷缩力,运输过程中的动载力,以及拉杆安装过程中施加的预紧力.在分析的基础上,对拉杆的材料、安装角度进行了选取,并结合漏热对横截面积进行了优化.     

G-M制冷机在高温超导磁储能磁体直接冷却中的应用研究

分析了超导磁储能直接冷却的特点,对G-M制冷机应用于超导磁储能直接冷却进行了方案设计和负荷计算;针对应用于超导磁储能冷却的G-M制冷机分析了热力参数对制冷系数和熵产率的影响;根据高温超导磁体冷却的实验结果,研究了G-M制冷机在磁储能直接冷却应用中的关键技术问题。     

高温超导磁体非接触补偿供电可行性研究

高温超导磁浮列车运行在高速状态,要受到环境振动、电磁激扰、轨道不平顺等问题,由此带来的运行损耗与高温超导接头电阻损耗等自身损耗相互叠加,使得高温超导磁体难以实现恒流运行.因此,本文基于近年来快速发展的非接触传能技术,提出了一种无漏热高温超导磁体非接触补偿供电方案,从理论上建立等效电路模型进行阻抗匹配,确定系统最优参数,同时利用搭建的实验测试平台研究了不同传输间距、不同负载的供电效率,证实了非接触传能技术用于现代轨道交通中高温超导磁体供电补偿的可行性.     

FAIR工程中CR二极超导磁体样机的结构分析

介绍了德国FAIR(The Facility for Antiproton and Ion Research)工程中收集环CR(Collector Ring)二极超导磁体的结构设计;用CATIA软件建立了CR二极超导磁体的三维模型,并用有限元分析软件ANSYS对建立的模型进行了磁场和电磁力的分析;基于磁场分析对线圈盒进行了位移和应力的分析;对磁体失超后液氦容器可能出现的最大位移和最大应力进行了分析,为正式磁体的制造提供了必要的参数。