氮化铝与无氧铜低温界面热阻的实验研究

用低温真空实验装置稳态导热法,实验研究了界面温度和接触压力对氮化铝(AIN)与无氧铜(OFHC-Cu)问接触界面热阻的影响.在实验温度(90～210 K)和压力(0.273～0.985 MPa)范围内,A1N/OFHC-Cu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,界面热阻随压力变化的速率较大.     

4～5 K铟片填充下无氧铜材料接触热阻实验研究

在陆续开展的深空探测任务中,高精度光学探测设备需要长期稳定的深低温工作环境。传热界面由于传热介质的热阻而存在一定的传热温差,为确保设备的工作环境,避免探测效率下降、精度下降和噪声干扰增加等严重后果,对无氧铜和不锈钢两种深低温温区常用的固体导热材料的界面接触热阻进行了实验测试。在真空、4～5.2 K、压力为3 077 N、铟片为填充物的条件下,测量了粗糙度为Ra=3.2的不锈钢-无氧铜接触热阻。结果表明：无氧铜界面间接触热阻在10-5～10-4 m2·K/W量级,且随温度的升高和粗糙度的减小而减小;无氧铜和不锈钢间的接触热阻在10-2 m2·K/W量级。     

基于MATLAB的氮化铝和铜界面热阻仿真

以低温界面热阻实验研究为基础，以氮化铝（AlN）和无氧铜（Cu）样品为对象，研究了温度和压力对陶瓷（AlN）和金属（Cu）之间的界面热阻的影响。应用最小二乘法和MATLAB软件工具，得到界面热阻和界面温度以及接触压力之间的关系，建立其数学模型和计算机仿真模型，从而可以预测在不同的界面温度和不同接触压力作用下AlN和Cu之间的界面热阻。界面热阻温度范围90-200K，压力变化范围0．273-0．985MPa，仿真结果与实验结果误差小于5％。这对低温与超导、超导材料及其应用技术有重要意义。     

高导热高电绝缘AlN低温特性及热分析

基于AlN在超导应用的低温实验基础上，报道上海硅酸盐研究所研制的AlN材料在低温30K～160K温度范围的热导率，实验表明其热导率随温度增加而增大；并从低温微结构工程学角度来阐明它的传热机理与热分析。为超导应用直接冷却的经验设计发展到计算设计提供理论基础与实验应用数据。     

Y2O3稳定ZrO2材料的电导活化能

在313－473K温度范围内测定了一种Y2O3稳定ZrO2材料（YSZ）的交流电导率谱，进而导出了材料的直流电导率并分析了其随温度的变化关系。研究发现：在低温下材料的电导尖化能随温度的升高而增大。这一实验现象与在高温下所观察到的活化能随温度升高而降低规律截然相反。通过分析材料中氧空位的解缔及迁移机制，对YSZ材料中电导活化能随温度的变化关系作出了一个合理的解释。     

真空低温环境导热填料界面接触热阻实验研究

真空低温环境下,接触热阻对热传递有十分重要的影响。根据接触热阻产生机理和实验测试原理,建了一套真空低温环境下固体界面接触热阻测试的实验装置。实验对比研究了不同温度和不同预紧力条件下,固体界面裸接与在界面之间添加真空硅脂、铟膜、石墨烯、石墨片导热填料时的接触热阻。实验结果表明,接触界面的接触热阻都随温度升高和预紧力增大而减小。在接触界面添加真空硅脂或铟膜后接触热阻随预紧力变化非常,裸接或添加石墨烯的接触热阻随预紧力变化较大,但是当预紧力大于2.5 N·m时其接触热阻基本不变。温度越低时添加导热填料减小接触热阻的效果越明显。总之在两界面之间添加铟膜时效果最佳,此时接触热阻随预紧力和温度的变化都较小,此种情况下接触热阻最小可以达到3.5×10~(-6)K·m~2/W。     

碳纤维/环氧树脂预浸料固化过程中的热导率测定

采用调制式差示扫描量热技术(MDSC)实现了碳纤维/环氧预浸料固化过程中的热导率(垂直纤维方向和平行纤维方向)测定。在实验基础上建立了预浸料固化过程中的热导率二元二次函数模型, 确定了热导率随温度及固化度变化的函数关系。结果表明: T800/环氧预浸料沿纤维方向的热导率为1.15~1.40 W/(m·K), 垂直纤维方向热导率为0.85~1.25 W/(m·K)。在相同温度下, 预浸料的热导率值随固化度的增大而减小; 在相同固化度条件下, 预浸料的热导率值随温度的升高而增大。验证结果表明, 拟合所得热导率二元二次函数关系用于预浸料固化过程的数值模拟时, 将提高参数的准确性。     

稳态法实验研究Ga_(68)In_(20)Sn_(12)液态金属界面热阻特性北大核心CSCD

搭建了镓铟锡合金低温液态金属接触热阻实验平台,验证了实验系统的可靠性,对比了常规导热硅脂和液态金属的热阻特性,研究了压力、温度和界面特性对接触热阻的影响规律。实验结果表明,特征测点温度稳定变化且在稳态下具有很小的线性偏差(ε<6%),表明该实验系统具有较高的可靠性。与导热硅脂相比,在74 kPa的界面压力下液态金属的接触热阻降低约71%,且界面接触热阻随着压力的增加而降低。此外,界面温度的升高造成试件界面处液态金属导热系数降低,进而增加界面接触热阻。通过对铜表面镀镍处理能够有效防止液态金属对铜表面发生腐蚀,但镍层存在造成接触热阻增大。     

高温超导直接冷却中AlN与Bi-2223间界面热阻的实验研究

基于微结构低温工程学，提出三维低温界面层的概念，指出界面热阻是制冷机直接冷却超导磁体需要解决的关键技术之一。以GM制冷机为冷源，按稳态热流法原理测量了Bi-2223、AIN的热导率及它们之间的低温界面热阻。在0.15MPa-0.55MPa压力范围内，AIN和Bi-2223间的界面热阻随界面层温度和接触压力的升高而降低，并随接触界面处温度的不同表现出不同的变化率。当界面层Bi-2223侧温度为55K时，在0.5469MPa的接触压力作用下，Bi-2223和AIN间的界面热阻是厚度为10mm的AIN垫片体积热阻的38.86倍，是接触压力0.2281MPa时界面热阻的38.7％。     

Y2O3稳定ZrO2材料的电导活化能

在313～473K温度范围内测定了一种Y2O3稳定ZrO2材料(YSZ)的交流电导率谱,进而导出了材料的直流电导率并分析了其随温度的变化关系.研究发现:在低温下材料的电导活化能随温度的升高而增大.这一实验现象与在高温下所观察到的活化能随温度升高而降低的规律截然相反.通过分析材料中氧空位的解缔及迁移机制,对YSZ材料中电导活化能随温度的变化关系作出了一个合理的解释.     

AlN添加量对BN基复合陶瓷热学性能与抗热震性的影响

以BN、SiO₂、AlN为原料, 采用热压工艺制备出BN基复合陶瓷。研究了AlN添加量对复合陶瓷热学与抗热震性能的影响。结果表明: 随着AlN添加量的增加, 复合陶瓷的热膨胀系数呈现先降低后升高的趋势。当AlN的添加量为5vol%时, 复合陶瓷的平均热膨胀系数最小, 为2.22×10^-6/K; 复合陶瓷的热导率则随着AlN添加量的增加呈先升高后降低的趋势, 当AlN的添加量为10vol%时达到最大值。未添加AlN的复合陶瓷热震后的残余强度随着热震温差的增大而升高; 随着AlN的引入, 复合陶瓷热震后的残余强度呈下降的趋势。对于添加5vol%AlN的复合陶瓷, 经1100℃热震后其残余强度为219.7 MPa, 强度保持率为88.9%, 抗热震性良好。     

A Study on Thermal Contact Resistance at the Interface of Two Solids

In this paper, numerical simulations and measurements of the thermal contact conductance (TCC) at the interface between the plane ends of two cylinders in contact are carried out. The random model of surface roughness is developed, and the non-dimensional basic equations are solved based on a grid system with equi-peripheral intervals in the azimuthal direction that can express reasonably the real contact spot distribution. The effects of the contact pressure, the thermal conductivity of the interstitial medium, and the mean absolute slope of the rough surface on the TCC were clarified by using a network method. In the experiments, four pairs of brass cylinders, each of which has similar surface topology, are used for the TCC measurements. The hysteretic nature of TCC versus contact pressure was observed in the first loading cycle. The present numerical results show that the TCC increases linearly with the mean absolute slope of the surfaces even at the same mean roughness. Such a tendency agrees well with the measurements.     

AlN-CNTs/聚酰亚胺复合材料的制备与性能

为了研究氮化铝(AlN)和碳纳米管(CNTs)对聚酰亚胺(PI)的导热、热学、力学性能的协同效应,采用湿法球磨和热压成型法制备了AlN/PI和CNTs-AlN/PI复合材料。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对复合材料进行了物相分析和断面形貌表征,分别考察了AlN及其与CNTs协同对PI复合材料的导热、热学、力学性能的影响。结果表明,AlN和CNTs在PI基体中分散均匀且接触界面良好,AlN的加入可以显著地提高复合材料的导热性能,且对复合材料的热稳定性和力学性能有一定的提高;固定AlN的含量为10%,加入少量的CNTs可以提高复合材料的导热性能,但对复合材料的力学性能有一定的负面影响。     

氮化物对增强线性酚醛树脂导热性能的对比研究

目的对比探讨氮化物陶瓷颗粒AlN和BN对热塑性酚醛树脂复合材料导热率的影响,制备高导热复合材料,并将其应用于电子塑封领域。方法首先,采用硅烷偶联剂对AlN和BN进行表面改性,以增强其在有机聚合物中的分散性。然后通过在线性酚醛树脂中添加不同粒径的陶瓷颗粒,对比粒径及填料含量对线性酚醛树脂复合材料导热率的影响,从声子角度分析,获取适合作为提高复合材料导热性能的填料。结果经过硅烷偶联剂表面改性后,陶瓷颗粒AlN、BN与水的接触角变大,与树脂的接触角变小,能够更好地分散在线性酚醛树脂中。在线性酚醛树脂中添加不同粒径、不同含量的AlN和BN,发现在不同含量范围内,填料粒径对复合材料导热率的影响不同。根据声子传递热量理论分析,BN较AlN在与C形成的界面上更容易传输热量,从而实现了较高的导热率。结论氮化物陶瓷颗粒能够很好地增强复合材料的导热率,尤其是BN,其态密度和C的态密度重叠率极高,更适合在BN与C的界面快速传递热量。     

AlN表面处理及级配填充对覆铜板绝缘层性能的影响规律与机制研究

在覆铜板绝缘层基体中添加导热陶瓷填料是提高其导热性能的一种有效方法。AlN是一种导热率高、绝缘性好的陶瓷填料, 但其易水解的性质限制了实际应用。此外, 相比于陶瓷填料-树脂基体复合材料体系, 有关填料填充型覆铜板产品性能的系统研究较少。本研究通过对AlN进行磷酸酸洗, 获得了抗水解性能优异的pAlN, 进一步研究了不同pAlN粒径和填充量对覆铜板导热性、剥离强度、介电性能和其他性能的影响。为了获得更有效的填料分布网络, 采取了不同粒径pAlN级配填充策略, 探究了多种级配方案对覆铜板性能的影响, 获得了最优级配和综合性能优异的覆铜板。在最优级配为pAlN-50 μm60%-5 μm5%时, 覆铜板绝缘层的热导率增大至0.757 W/(m·K), 相比纯树脂覆铜板提高160%, 具有优异的力学性能(剥离强度为1.012 N/mm, 弯曲强度为335 MPa)和介电性能(介电常数为4.499, 介电损耗为6.668×10^-3), 同时吸水率低至0.53%。同时探讨了AlN填料在覆铜板应用中存在的问题和解决方法, 系统研究了不同填充方案对覆铜板绝缘层性能的影响, 对其实际应用具有指导意义。     

Measurement of the Intrinsic Thermal Conductivity of a Multiwalled Carbon Nanotube and Its Contact Thermal Resistance with the Substrate

The intrinsic thermal conductivity of an individual carbon nanotube and its contact thermal resistance with the heat source/sink can be extracted simultaneously through multiple measurements with different lengths of the tube between the heat source and the heat sink. Experimental results on a 66‐nm‐diameter multiwalled carbon nanotube show that above 100 K, contact thermal resistance can contribute up to 50% of the total measured thermal resistance; therefore, the intrinsic thermal conductivity of the nanotube can be significantly higher than the effective thermal conductivity derived from a single measurement without eliminating the contact thermal resistance. At 300 K, the contact thermal resistance between the tube and the substrate for a unit area is 2.2 × 10^?8 m² K W^?1, which is on the lower end among several published data. Results also indicate that for nanotubes of relatively high thermal conductance, electron‐beam‐induced gold deposition at the tube–substrate contacts may not reduce the contact thermal resistance to a negligible level. These results provide insights into the long‐lasting issue of the contact thermal resistance in nanotube/nanowire thermal conductity measurements and have important implications for further understanding thermal transport through carbon nanotubes and using carbon nanotube arrays as thermal interface materials.     

碳包钴纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合热界面材料的制备和性能

为了制备具有良好的热导率、热稳定性、导电性和柔顺性的纳米颗粒填充硅树脂复合材料,首先以乙基封端聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体材料,以碳包钴纳米颗粒(C@Co)为填料,采用研磨共混法制备了C@Co/PDMS复合热界面材料。然后,运用TEM、XRD、Raman和SEM分别对C@Co的微观结构、物相、石墨化程度和分散性进行了研究。最后,研究了C@Co含量对复合热界面材料的热导率、热稳定性、导电性和柔顺性的影响。结果表明:该复合热界面材料的热导率随着C@Co含量的增加而增大,当C@Co的含量为24wt%时,复合材料的热导率达到最大值1.64 W/(m·K),比纯PDMS的提高了10.7倍;TG分析表明,添加24wt%的C@Co后,复合材料的起始分解温度和最终分解温度比纯PDMS的分别提高了约70℃和80℃,说明C@Co能提高复合材料的热稳定性;随着C@Co含量的增加,复合热界面材料的电导率非线性增大,拟合试差计算的逾渗阀值为10wt%,即C@Co含量小于10wt%时复合材料的绝缘性良好,而填充24wt%的C@Co时复合材料的电导率为9.38×10-3 S·m-1;复合材料的硬度适中,处于17.6~26.8HA范围内,表明该复合材料的柔顺性较好。因此,24wt%C@Co/PDMS复合材料不仅能满足热界面材料电性能的基本要求,且具有良好的热导率、热稳定性和柔顺性。     

Thermal contact conductance of pressed contacts at low temperatures

The influence of variations of interface temperature in the range 50-300 K on the thermal contact conductance between aluminium and stainless steel joints was determined. Predictions were done by modeling the deformation at the interface for different values of surface finish and contact pressure over the range of interface temperatures. Both elastic and plastic deformation was considered. Experiments were carried out in a closed loop cryostat and the results were shown to compare well with the predictions. A reduction of the interface temperature resulted in a smaller value of thermal contact conductance. Interfacial pressure variation had much lower influence at the smaller value of temperatures. The role of surface roughness at the contact was also seen to be less significant at lower interface temperatures and the zone of hysteresis was smaller. A correlation was developed for estimating thermal contact conductance at joints over this temperature range. An explicit dependence of contact conductance on temperature was not seen to be necessary as long as the changes in the hardness and thermal conductivity of the material with temperature are incorporated in the correlation.     

高热导率Ag-AlN/聚丙烯酸酯导电胶黏剂的制备与性能

分别采用无钯化学镀法和溶液聚合法制备了Ag-AlN和聚丙烯酸酯胶黏剂,并采用超声辅助溶液共混法制备了高热导率Ag-AlN/聚丙烯酸酯导电胶黏剂。采用XRD、EDS和SEM等对Ag-AlN的结构进行分析。结果表明:经过高温和酸性清洗液清洗等处理, AlN表面的杂质被除去,并且在AlN表面形成致密的Al₂O₃层,采用无钯化学镀法制备的Ag-AlN具有优异的电导率和热导率,其电导率由AlN的10-13 S/cm提高到了7.06×102 S/cm,热导率由AlN的170 W/(m·K)提高到了230 W/(m·K)。经过计算, Ag-AlN表面的Ag镀层质量分数约为13%, Ag镀层的厚度约为80 nm。当导电胶黏剂中Ag-AlN填料的质量分数为50%时, Ag-AlN/聚丙烯酸酯导电胶黏剂的电导率为1.9 S/cm,热导率为3.1 W/(m·K)。