
接触热阻(Contact Thermal Resistance) 指两个固体表面在接触时,由于实际接触面积小于表观接触面积,以及界面间存在空气隙或杂质等因素,导致热量在界面传递受阻的现象。其英文对应术语为Contact Thermal Resistance 或Thermal Contact Resistance (TCR),单位为平方米·开尔文/瓦(m²·K/W)。该热阻值越大,表明界面传热效率越低。
即使表观平整的固体表面,在微观尺度仍存在凹凸不平(粗糙度)。实际接触仅发生在少数凸点(Asperities)上,使有效导热面积大幅减小。非接触区域常充斥低导热系数的空气或介质,形成附加热阻。
接触面间的氧化层、油污或涂层等杂质会阻碍热流传递。例如,金属表面氧化膜的热导率可能比本体金属低1-2个数量级。
增大压力可提升微观接触点数量与面积,减少空气隙厚度,显著降低热阻。实验表明,铝合金界面压力从0.1MPa增至1MPa时,接触热阻可下降60%以上。
芯片与散热器界面的接触热阻直接影响半导体器件的结温。高性能散热方案需采用导热硅脂(Thermal Grease)或相变材料(PCM)填充微空隙,将典型接触热阻从$10^{-4}$ m²·K/W降至$10^{-5}$ m²·K/W量级。
在核反应堆燃料包壳、热交换器法兰连接等场景,接触热阻会导致局部过热,需通过表面抛光或金属垫片优化界面设计。ASME标准建议高温设备需计算接触热阻对热膨胀应力的影响。
接触热阻$R_c$可通过傅里叶定律扩展表达为: $$ R_c = frac{Delta T}{q} $$ 其中$Delta T$为界面温差,$q$为热流密度。经典模型如Cooper-Mikic-Yovanovich (CMY) 模型结合表面粗糙度与材料硬度预测$R_c$值,广泛应用于航天器热控设计。测量方法包括激光闪射法(ASTM E1461)和稳态热流计法(ISO 22007)。
权威参考文献
接触热阻是热传递过程中由于固体表面接触不完全而产生的附加热阻。以下从定义、形成原因、影响因素及减小措施等方面进行详细解释:
接触热阻指两个名义上接触的固体表面,因实际接触仅发生在离散的凸起区域,未接触部分存在空隙(常填充空气或其他介质),导致热量需通过气隙层传递,从而增加的热阻。其计算公式为: $$ R_c = frac{Delta T}{q} $$ 其中,( R_c )为接触热阻(单位:㎡·K/W或K/W),( Delta T )为两表面温差,( q )为热流密度。
在强化传热场景(如电子设备散热器与芯片接触)中,接触热阻会显著降低传热效率,导致局部温升。例如,若散热器与芯片接触不良,热量积聚可能引发设备故障。
接触热阻测试通过建立当量热流通道模型分析界面传热,为工程设计提供关键参数。尤其在航空航天、电子封装等领域,其预测和控制直接影响系统可靠性。
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