接触热阻与接触导热填料 1999

任红艳 胡金刚

( 北京空间飞行器总体设计部 北京 100086 )

文 摘 在调研国内外接触热阻研究的基础上,介绍了关于接触热阻及接触导热填料的研究发展情况。对导热脂及油、金属、导热垫、RTV、镀层等导热填料的性能、应用情况作了简介,提供工程应用参考。

关键词 接触热阻,接触热导率,填料

ThermalContactResistanceandThermalConductiveFiller

RenHongyan HuJingang

( BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering Beijing 100086 )

Abstract Onthebasisinvestigationofthermalcontactresistancedevelopedintheworld,thedevelopmentonther2malcontactresistanceandthermalconductivefillerisbrieflyintroduced.Thepropertiesandapplicationsofsomethermalconductivefillermaterialssuchasthermalconductivegreaseandoil,metal,gasket,RTV,coatingetc.arepresentedheretoprovidereferencetoengineeringuse.

Keywords Thermalcontactresistance,Thermalcontactconductive,Filler1 引言

航天器在其飞行过程中要经历极为恶劣的热环境,其温度可从摄氏零下200多度变至数千度以上。因此,为保证航天器能正常工作,就需要对航天器内外各组件、仪器设备之间的导热过程进行控制,导热过程的控制是以分析和控制导热途径上的热阻为出发点,而影响实际导热过程的一个重要因素就是构件之间的接触热阻。

接触热阻是由于两接触面凹凸不平使得接触不完全而产生的热阻。接触热阻的大小与接触表面的材料、连接方式、表面状况及接触压力大小等多种因素有关。因此,接触热阻就很容易成为卫星热分析中的不确定因素,这种不确定性在极端情况下,甚至会影响卫星热设计的可靠性和卫星运行的可靠性。即使在一般情况下,接触热阻的存在也会增大热流途径上的温降。对航天器热控制来说,过大的接触

收稿日期:1999-03-22

任红艳,1972年出生,主要从事接触热阻方面的研究工作

热阻还可能使其它热控手段(比如热管)失效。

随着科学技术的发展,在工程实践和科学实验中,接触热阻问题愈来愈引起人们的注意。特别是随着空间技术的发展,卫星内大功率组件的热功耗越来越大,为使卫星内部的温度处于适宜的范围之内,就需要对接触热阻问题进行理论和实验研究,以对卫星内部导热过程进行有效的控制。2 接触热阻的理论研究2.1 接触热阻的点理论

如果把离散的局部接触面积称为点,接触热阻点理论的一般方法是:对单接触点接触热阻算法进行研究,再对接触点数目进行研究,从而完成对多接触点接触热阻的计算。对单接触点接触热阻的计算大多将接触点简化为圆台、圆柱及圆盘三种计算模型,这三种模型中,圆台计算模型较其它两种更接近实际情况,因它考虑了锥角H的影响。

宇航材料工艺 1999年 第6期

)11) 设Ri为单点接触热阻,n为接触点的个数,a为接触点的半径,则连接处的总热阻为:

n

11=iERT=1Ri

(1)表观平坦而实际粗糙的金属接触的经验及半经验关系式

Fletcher和Gyorog[5](1970)的经验式是在对铝、黄铜、镁及不锈钢的400次测量的结果上得到的,而且还考虑到表面平整度的偏差;O.Callaghan及Probert[6](1974)的经验式是由对铝及不锈钢的研究得到的;另外,Song及Yovanovich[7](1988)的半经验式与实测结果吻合较好。

(2)平坦的粗糙金属接触的理论模型

Mikic[2]在1974年建立了弹性变形模型;Yovanovich[8]在1982年建立了塑性变形模型;而Ma2jumdar和Tien(1991)的模型与大多的模型理论不同,它对接触面的描述不是用粗糙度(asperityheight)的高斯分布,而是用节点网络(fractalnetworks)法来描述;Sridhar及Yovanovich在1994年将Mikic的弹性变形模型及Yovanovich的塑性变形模型结合,建立了弹塑性变形的模型。

(3)不平坦的粗糙金属接触的理论模型Mikic及Rohsenow(1966),Thomas及Sayles(1974),Burde及Yovanovich[11](1978)研究了粗糙的球面接触(spherical,roughsurface)并给出了各自的模型,但因这些模型计算复杂,工程设计中难以使用。Mikic[12](1970)针对粗糙球面接触的表面不均匀的压力分布的一维变化给出了模型,但并未给出压力分布的确定方法;Nishino等[13](1993)则结合了Mi2kic的理论,用压力敏感薄膜(pressuresensitivefilms)来确定无量纲参数压力的分布。但Nishino并未给出压力分布和表面轮廓的联系,则压力的测量就不能避免。但这些文献中只给出的模型,并未说明如何应用,使其应用受到限制。3 接触导热填料研究

在两个相互接触的表面间使用合适的填料可有效地改变它们的接触热导率。合适的填料填充了因表面粗糙而造成的微观上的空隙。如果填料本身具有较好的导热性,接触热阻可减小;相反,若在接触缝隙中填上非金属材料,将会进一步增大接触热阻。然而,现在着重研究的还是减小接触热阻方面的要求。

填料的选择是要求它具有热传导性、与表面材料的相容性、污染性及易使用性等,对于特殊的应用,材料的选择需考虑接触温度、压力、环境状况等。

宇航材料工艺 1999年 第6期[10]

[9]

(1)

因Ri=fi/(2ak),则有

fi

R=i=E12ak

i

n

(2)

a为平均的接触点的半径,若忽略热阻减小因素f的变化,则有:

R=f/(2nak)

(3)

这样可将接触热阻问题归结于两个基本因素n及a,这两个因素又都依赖于平面轮廓平均微观粗糙度D分布。

首先,须知道表面的变形是弹性的还是塑性的。由于许多研究者的工作,尤其是Mikic的研究工作

[1,2]

,使接触热阻的理论取得了重要的进展。Mi2

kic及其合作者假定微观粗糙度分布为高斯分布,在初始加载时变形是弹性的,而载荷更高时则是由弹性向塑性过渡,使用以下系数来区分:

C=H/(Ec|tanH|)

(4)

式中,H为两种材料中较软者的微观硬度,Ec为有效弹性模量,tanH为平均的表面轮廓绝对斜度(meanabsoluteslopeofthesurfaceprofiles)。另外,Sridhar及M.Yovanovich

[3]

对弹性和塑性变形的接触导热模型

的研究发展进行了比较和回顾,并对几种常用材料

的试验结果与模型进行比较,结果表明表面较平滑的变形多是弹性的,而较粗糙的变形多是塑性的。

这些模型的建立对接触热阻的研究非常重要,但实际应用时因外界条件复杂而难以使用,需更多的试验结果来证实模型的可用性。现在人们正在试图建立一种弹塑性的模型来对接触热阻进行分析;另外,用有限元法计算接触热阻也是一正在兴起的新方法。

2.2 金属接触热阻的研究

接触热阻的大部分研究是关于金属表面间的接触热阻,因为在工程应用中,特别是在航天技术应用中,金属是常用的材料。

文献[4]回顾了金属接触热阻的研究发展,将各种金属热导模型与实验数据相比较,并给出近年来有关金属在各种情况下的经验及半经验关系式和理论模型,同时进行了分析。)12)3.1 导热脂及油

试验表明,导热脂的使用可大大减小接触热阻,且易于使用。一般所使用的导热脂为以硅油与导热填料组成的硅脂,导热填料可使用金属粉末或用ZnO粉末(具有电绝缘作用)。另外,在较低的温度下,以石墨为基体的油也可很好地提高接触热导率。文献[14]对13种导热脂进行了接触热导的测试,而文献[15]对之进行了筛选试验,结果表明:77)09脂为综合性能最佳的导热脂,其组分为:57#硅油:ZnO=1:2.5(质量比);饱和蒸气压(20e)<1@10-5Pa;针入度(25e,9.3g)为72,涂抹方便;接触热导率为25704W/(m#K)。

尽管该种材料的优点较多,但也有缺点:在涂抹时不易恰到好处,经接触挤压后会流出而影响别的表面;而且长期存放或填充后,脂中的硅油会析出和爬行,温度超过180e后,硅油会强烈的挥发;即使其饱和蒸气压很低,但在高真空中也会挥发,难以用于光学性能要求高的部件。3.2 金属

1)金属箔

文献[16]中,对在不同情况下铝合金6061T6的接触面使用了4种金属箔来减小接触热阻,这4种金属箔为铅、锡、铝、铜,得出结论:接触热导是受接触压力、金属箔的热导率及硬度、接触表面的粗糙度影响的。

在这些金属箔中,铟箔可较大提高接触热导率。文献[17]中对铟进行了应用试验研究:将铟压延成0.1mm的箔填入接触表面之间。试验表明,对于表面平整度为0.02mm的情况,填入铟箔可将接触热导率提高5~6倍;当填入铟箔时,表面平整度应小于铟箔的厚度。缺点是如在连接点不正确的放置有可能使其安装误差或卷曲而导致热导率的减小;且它比较脆、易断裂,拆卸时有可能受到破坏而不能重复使用。

2)金属丝网

在接触面处放置坚硬、低热导率的金属丝网可起隔热作用,增大接触热阻。金属丝网的隔热效果好坏取决于它的硬度、相对于基板材料的导热率、网格数目(decitex)、网格直径。从各种研究可知,具有较少网格数目的不锈钢及钛的金属丝网为较好的隔热选择,它们具有良好的机械性能及可重复使用。

宇航材料工艺 1999年 第6期

3)低熔点合金

将选择的一定熔点的低熔点合金放置于接触面处[18],当温度达到其熔点温度时,该合金会液化,则其将会充满接触面处的空隙,从而加大接触导热,使得接触面处温度不致太高。而当仪器停止工作时,温度下降,合金又会凝固,接触又会变差,从而使温度不致太低。在室温时,该合金应为固态以方便安装及拆卸,且熔点要低于连接面处的运行温度。

为防止该合金使用时熔化为液体流出接触面,在文献[18]中,使用了如图1所示的分块结构,利用毛细张力作用使得液体合金不致流出。

尽管低熔点合金的使用可不需很大压力而大大地改善接触热导,但也存在很多问题,如采用此分块结构,由于间隔(gap)的存在而降低了其传热效率,而且也带来了一些其他问题,如合金的膨胀率问题、结构的加工问题,安装不当则可能造成结构弯曲反而会影响导热;另外,合金的选取对工程应用来说也是个问题。

图1 分块结构表面

3.3 导热垫

现已研究过各种用于界面填充的导热垫,有Calgraph垫以及成型的混合物,如CHO)THERM和COHRLastic。现有的作为产品生产的导热垫有Chomerics生产的商标名为CHO)THERM的各种导热垫,这些材料是在富有弹性的粘合剂(如有机硅、氟有机硅)中加入导热不导电的化合物(如氧化铝、氧化镁)。他们制出的这些材料具有多种特殊性能:高低不同的电绝缘能力、EMI屏蔽、较强的相似性、抗溶解性、耐温性能和耐切割性。但导热垫CHO)THERM用于设备安装时有很大的局限性,因为它的电阻率很高,大约为10148#cm~10158#cm的量级,连续的导热垫片会防碍满足设备的电接地要求。因

)13)[1]

此,若使用CHO)THERM,应考虑一种辅助的接地方法,即在螺栓区域割掉导热垫,并在此处安装可压缩的接地网或者使用接地带。

另外,Polycarbon.Inc提供了柔性石墨垫Cal2graph,这是一种足够好的电导体,它的热导率(垂直表面方向)比CHO-THERM大2~3倍,电阻率小15~16个数量级,可作为连续的垫使用并能满足设备接地的要求。具体关于这些导热垫的主要性能参数可见文献[1]。

导热垫应用较方便,可重复使用,但也有其缺点,如若想提供期望的热性能,必须对导热垫施加较高的压力,这会对结构载荷产生影响,并造成安装板弯曲。在离螺栓某个距离处可能会发生分离。因此,导热垫被限制在小范围内使用,螺栓跨度不能大。

3.4 原位固化的室温硫化有机硅化合物

使用导热垫,对于周边安装的平板,由于平板弯曲造成其热导在中心区域并没有提高,室温硫化(RTV)的使用可避免使用导热垫出现的两平板间的接触不连续的问题。文献[19]中,将三种RTV材料与导热脂进行了试验比较,认为RTV是一种较好的可克服导热脂的缺点而代替导热脂的材料。文献[20]中,利用固化后硅橡胶的耐温性能和氧化锌粉末的充填导热性能,研制了几种含氧化锌的导热硅橡胶。导热硅橡胶与导热硅脂一样是依靠将微观的孔隙填满,使两接触面之间的热传递以固体导热的形式进行以改善导热性能。试验表明,当硅橡胶与氧化锌比例适当时,具有较好的导热性能,接触热导率可达21kW/(m#K),而与导热硅脂性能相当;这种填料能在工作温度超过200e的场合下使用,并有较好的导热性能。

RTV方法的使用可使由螺钉扭矩造成的设备基板和安装板之间的腔体轮廓一致。可使用各种的RTV化合物,选择哪一种取决于固化时间、粘度(为了从安装面间挤出)、弱挥发性等。但缺点是拆卸不方便,不能重复使用等。

3.5 表面镀层

近几年来,关于镀层的研究很多,这是由于它具有在应用时易处理,且在真空环境中较稳定的优点,主要是研究其应用于减小标准电子模块与安装板之间接触热阻上。镀层材料可分为非金属和金属镀层)14)两种材料。

1)非金属镀层

非金属镀层分为以氧化物、碳、陶瓷、聚合物、复合材料为不同基体的镀层材料。文献[21]中对关于非金属镀层的研究进行了回顾。以氧化物为基体的镀层使用时应保持相对较薄且比基板的硬度小,但易断裂及腐蚀;以碳为基体的镀层具有较好的热物理性能而得到广泛的应用,如类金刚石镀层的使用;聚合物材料的特点是抗腐蚀,特别是在海水环境下此特点更突出,若其中渗入金属粒子则会提高其传导率,但与其他的材料相比提高程度有限;复合材料与聚合物的特性相似。

陶瓷镀层与其它镀层材料相比,优点是在高温下有较好的结构及热稳定性,且抗弯曲、抗氧化、抗腐蚀等,一般作为一种较好的隔热材料来提高接触热阻。

2)金属镀层

在各种镀层材料中,金属镀层能提供最大热导率。文献[22]中对金属镀层及薄膜的研究进行了回顾,给出了近几年来关于金属镀层的理论分析及模型,并整理了许多已发表的金属镀层接触热导率的数据,并与理论作了比较;文献[23]主要是一些试验数据的比较。结果表明,银镀层是一种较好的提高接触导热的金属镀层。文献[24]以试验的方法来研究银镀层对接触传导的提高程度,使用的基板材料为铝A356,使用的镀银方法有蒸气沉积、电镀、火焰喷镀。在该试验条件下,它们相对于裸面的接触热导率的提高倍数分别为1.79~2.14、7.13~15.2、1.60~2.30。结果表明,电镀银镀层为一种较好的提高接触导热的金属镀层,且具有较好的抗腐蚀性。

表面镀层优点很多,但也有缺点,如提高接触热导的效果不太好,在安装和拆卸时易划伤镀层等,而且在工程应用中进行表面喷镀也有一定的困难。4 结束语

随着宇航事业的发展,接触热阻问题已成为空间热物理的一个重要分支。卫星接触热阻是卫星热控设计中的主要参数,它的取值准确与否直接关系到热控设计的好坏。接触热阻问题由于传热机理的复杂性而一直未得到完善的解决。现有的简单理论公式和试验模型与实际工程应用中的问题有很大的差距。而且迄今为止,国内关于接触热阻的研究很

宇航材料工艺 1999年 第6期少,而国外关于接触热阻的研究很多,且取得了一些成果。但国外的研究成果却难以应用于国内,这是因为国内产品的材料、加工技术都与国外的有所不同。所以开展卫星接触热阻的工程应用研究不仅对卫星的热控设计具有重大的现实意义,而且对从客观上认识接触热阻问题也有理论意义。

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24 LambertMA,FletcherLS.Anexperimentalinvestigationofthethermalcontactconductanceofelectroplatedsilvercoatings.AIAA:93~0846

JM)1/314型胶体磨

该装置是一种高效能粉碎、均质、乳化和湿化,性能先进的研磨机械(主要是对湿料),可对物料进行精细地粉碎和微粒化。本成果在国内首次采用了菱形齿槽的磨头,寿命长、效率高,安装、使用、清洗方便,可以快速无级调整间隙,使用范围广,适应性强。本设备主要工作零件均采用不锈钢制成,耐磨、耐酸、耐碱、耐腐蚀性强。本机具有国内先进水平。

#李连清#

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)15)