液态金属老化的固固界面接触热阻研究
随着航运业的迅猛发展，船舶自动化、电气化程度不断加深，使得船上的电气设备，大功率照明设备，动力设备的功率越来越高，热流密度越来越大，有效热管理的压力就变得越来越大，而界面热阻的存在是电子元器件热量散失的主要瓶颈。在船舶余热回收方面，船舶热电转换装置迅速发展，热电转换装置的整体效率也与界面传热息息相关。因此，强化界面传热对提高船舶众多系统的可靠性稳定性及工作效率具有至关重要的作用。本文围绕液态金属作为热界面材料，测量了其在初始状态及老化后的导热系数和界面热阻;研究了接触面粗糙度对试样界面接触热阻的影响;建立了液态金属与固体表面之间界面热阻随老化时间变化的预测模型。 界面接触热阻与液态金属老化关系实验中，选用了液态金属Ga62.5In21.5Sn16及掺铜粉液态金属Ga62.5In21.5Sn16作为热界面材料进行实验研究。实验结果显示:在初始状态下，液态金属的导热系数为37.707W/(m·K)，掺7.5％铜粉的液态金属导热系数为38.774W/(m·K)。经老化后最终稳定的液态金属导热系数为22W/(m·K)，掺7.5％铜粉的液态金属导热系数为9W/(m·K)。表面粗糙度对LMA老化影响的实验中，制备了接触面粗糙度分别是0.0951μm，0.1748μm，0.2252μm，0.3267μm的Cu-LMA-Cu三层结构试样，试样老化温度为130℃，最长老化时间为800小时，每隔100小时取样测量其导热系数，并计算其接触热阻。结果显示:接触面粗糙度为0.0951μm，0.1748μm，0.2252μm，0.3267μm的试样初始状态下接触热阻分别为2.29mm2K/W，2.44mm2K/W，2.73mm2K/W和2.97mm2K/W。热老化400小时后试样的接触热阻分别为4.54mm2K/W，6.11mm2K/W，6.46mm2K/W和8.60mm2K/W。老化800小时后接触热阻分别为5.88mm12K/W，6.42mm2K/W，6.87mm2K/W和8.76mm2K/W。基于上述实验数据，本文建立了液态金属Ga62.5In21.5Sn16作为热界面材料填充在接触面之间产生的总热阻受外界压力、接触面表面形貌、老化时间等因素影响的数学模型，模型的计算结果与实验结果较好地吻合。 由上述实验数据及理论模型，本文得出如下结论:(1)掺7.5％铜粉的液态金属在初始状态下的导热系数要稍高于纯液态金属，而经老化后掺7.5％铜粉的液态金属导热系数要远低于纯液态金属导热系数。(2)在初始状态下液态金属试样的界面热阻与掺铜粉试样的界面热阻相当，而经老化后稳定界面热阻值，液态金属试样要远低于掺铜粉液态金属试样。(3)相同的接触面粗糙度，老化时间越长接触热阻越大，但其增大的速率变缓。相同的老化时间，接触面粗糙度越大试样的接触热阻越大。并且相比于初始状态的试样，接触面粗糙度对老化后试样的接触热阻影响更大。
船用材料;液态金属;界面热阻;导热系数;预测模型
大连海事大学
硕士
轮机工程
纪玉龙
2018
中文
U668.2
71
2018-08-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）