（材料学专业论文）固体界面接触换热系数的实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 当两个固体表面相互接触时，由于微观表面粗糙度的存在，其实际接触仅发生在接 触面的一些离散的微突体上，实际接触面积只占名义接触面积非常小的一部分。这就使 界面发生了不完全接触，而这种不完全接触最终导致了热流的收缩，使两个相互接触的 固体间的温度产生一个阶跃变化。这种固体间的接触换热现象在航空航天、冶金、化工、 核能、机械制造、微电子、热能以及低温超导等领域有着重要影响，也得到广泛的应用 和发展。因此，有必要对其形成机理及影响因素作进一步的研究。 本论文在分析了国内外相关文献的基础上，分析了界面接触换热的主要影响因素。 两固体材料接触时，影响其界面传热的主要因素有：1 、接触界面几何形貌；表面粗糙 度，表面波度，接触表面斜度；2 、载荷情况：接触压力，加载历史；3 、温度条件：接 触表面平均温度，热流密度及方向，温度变化历史；4 、材料特性：接触材料的热物理 特性，中间介质的热物理特性；5 、界面接触情况：接触界面有无相对滑动，接触表面 有无其他介质。因此固体材料接触界面间的接触换热是一个受载荷、温度、表面粗糙度、 材料机械特性、接触面状况等多种因素影响的复杂问题。 本论文从对接触换热系数的测量入手，针对接触换热系数受多种因素影响这一特 点，设计出了一套可行的对接触换热系数进行测量的实验装置，并开发出相应的采集计 算软件系统。对材料加工中经常用到的材料和工模具如：铝合金与5 c r m n m o 、不锈钢 与不锈钢、紫铜与合金钢( 3 c r 2 v s w ) 、g h 4 1 6 9 与5 c r m n m o 、t c l1 与5 c r m n m o 、 t a l 5 与5 c r m n m o 在不同载荷、不同温度、不同表面状况、不同接触过程的接触换热 进行实验研究。得出了接触面温度、界面载荷、中间介质、接触过程等因素对接触换热 系数的影响规律。得出的结论如下： 1 固体界面间的接触换热系数与接触面温度的关系并不是简单的正比关系； 2 固体界面间的接触换热系数与界面载荷近似成正比关系； 3 中间介质可以有效的改变固体界面间的接触换热系数的大小，在接触面问加入 导热性好的材料可以增大界面间的接触换热；反之，加入导热性差的材料可以 减少界面问的接触换热； 4 在其它接触条件相同的情况下，不同的接触过程，界面间的接触换热系数也会 不一样。 关键词：接触换热系数；影响因素；热传导；实验研究 固体界面接触换热系数的实验研究 e x p e r i m e n tr e s e a r c ho ns o l i di n t e r f a c et h e r m a lc o n t a c tc o n d u c t a n c e c o e f f i c i e n t a b s f ra c t d u et ot h ee x i s to fm i c r o c o s m i cr o u g h n e s si nt h ec o n t a c ts u r f a c e s ，w h e nt w os o l i d i n t e r f a c e sc o n t a c te a c ho t h e r , t h er e a lc o n t a c ta l e 。9 i so n l yas m a l lf z a c t i o no ft l l en o m i n a l c o n t a c ta r e a , a n dt h e yo n l yc o n t a c ti ns o m ed i s c r e t em i c r o s c o p i ca s p e r i t i e s t h i si m p e r f e c t c o n t a c tb e t w e e nt h ei n t e r f a c e sc a u s e st h ec o n s t r i c t i o no f t h eb e a tf l o wa n dt h es u d d e nc h a n g e o ft h et e m p e r a t u r eb e t w e e nt h es o l i di n t e r f a c e s t k sp h e n o m e n o ni sc a l l e dt h e r m a lc o n t a c t c o n d u c t a n c e 口c c ) ，a n di ti sw i d e l yu s e da n dd e v e l o p e d i nt h ef i e l d so f a e r o s p a c e ，m e t a l l u r g y ， c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，n u c l e a re n e r g y , m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e ，m i c r o e l e c t r o n i c se t c s i n c e t h er e s e a r c h e so nt c cb e t w e e nt w os o l i di n t e r f a c e sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n c e i nv a r i o u sf i e l d s ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tf u r t h e rr e s e a r c ho ni t sp r o d u c i n gm e c h a n i s ma n d t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r s a f t e rr e v i e w i n gr e l a t i v el i t e r a t u r e sa th o m ea n da b r o a d ，t h ep r e s e n tr e s e a r c ha n a l y z e st h e m a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt c c n 坞m a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt w o s o l i di n t e r f a c e si n c l u d e st h em i c r o - g e o m e t r yo fc o n t a c t i n g $ u l f a c e s ，s u c ha ss u r f a c er o u g h n e s s ， s u r f a c 君w a v i n e s s 。s u r f a c e sr a k e ；1 1 坞s i t u a t i o no f i n t e r f a c i a lp r e s s u r e ，s u c ha sc o n t a c tp r e s s u r e a n dt h e1 0 e dh i s t o r y ；t h ec o n d i t i o no ft e m p e r a t u r e ，s u c ha si n t e r r a c i a lt e m p e r a t u r e ，t h eh e a t f l o w sd e n s i t ya n dd i r e c t i o n , t h ec h a n g i n gh i s t o r yo f t h et e m p e r a t u r e ；t h em a t e r i a l sp r o p e r t y , s u c ha st h et h e r m o p h y s i c sp r o p e r t i e so ft h ec o n t a c tm a t e r i a lh a dt h em e d i u m ；1 1 1 ec o n d i t i o n o fc o n t a c ti n t e r f a c e s ，s u c ha sw h e t h e ri th a v eo t h e rm e d i u m0 1 r e l a t i v es l i d eb e t w e e nt h e i n t e r f a c e s c o n s i d e r i n ga l lt h ea b o v ef a c t o r s ，t h er e s e a r c ho nt c c b e t w e e nt h es o l i di n t e r f a c e s i st r u l yac o m p l e xo n e t h em e a s u r e m e n to ft h et c cc o e f f i c i e n ti se m p h a s i z e di nt h ep r e s e n tr e s e a r c h t a k i n g t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so nt c ci n t oc o n s i d e r a t i o n , as e to fs e l f - d e v e l o p e dt c c e x p e r i m e n t a ls y s t e mw a se m p l o y e da n dr e l a t e dd a t ac o l l e c t i n ga n dc o m p u t i n g s o f t w a r e s y s t e mw a sa l s od e v e l o p e d n 坞m a t e r i a l sa n dd i e sw h i c h a r ew i d e l yu s e di nm a t e r i a l p r o c e s s i n g ，s u c ha sa l u m i n u ma l l o ya n d5 c r m n m o d i es t e e l ，s t a i n l e s ss t e e la n ds t a i n l e s ss t e e l ， p u r ec o p p e ra n d3 c r 2 v 8 wa l l o ys t e e l ，g h 4 1 6 9a n d5 c r m n m od i es t e e l ，t c l l a n d 5 c r m n m od i es t e e l t a l 5a n d5 c r m n m od i es t e e la u s e da ss u b j e c t si nt h ee x p e r i m e n t s t h et c ch m v 黜e a c hp a i ri sa n a l y z e du n d e rd i f f e r e n tc o n t a c tp r e s s u r e ，d i f f e r e n ti n t e r r a c i a l t e m p e r a t u r e d i f f e r e n tc o n t a c tc o n d i t i o n , a n di nd i f f e r e n tc o n t a c tp r o c e s s 1 h er e l a t i o n s h i p s i i 大连理工大学硕士学位论文 b c t v c e e nt c ca n di n t c r f a c i a lt e m p e r a t u r e ，c o n t a c tp r e s s u r e ，m e u r n , c o n t a c tp r o c e s sa r e a n a l y z e dr e s p e o t i v e l y , a n dt h ec o n c l u s i o n sa r c 嬲f o l l o w s ： 1 1 1 l e1 cc o e m c i e n ti sn o td i r e c tp r o p o r t i o nt oi n t e f f a c i a lt e m p e r a t u r e 2 i kt c cc o e m c i e n ti sr o u g h l yi np r o p o r t i o nt oc o n t a o tp r e s s u r e 3 1 1 璩m e d i u mb e t w e e nt h ei n t e r f a c e sc 眦e f f e c t i v e l yc h a n g et h et c cc o e f f i c i e n t a s o u n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t ym e d i u mc 趾i n c r e a s et h et c cc o e f f i c i e n t b u ta m a l f u n c t i o n i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t ym e d i u mc a nr e d u c et h et c c c o e f f i c i e n t 4 i nt h es r m ec o n t a c tc o n d i t i o n , t h et c cc o e m c i e n tw i l lb ed i f f e r e n tw h e nt h ec o n t a c t p r o c e s si sd i f f e r e n t k e yw o r d s ：t h e r m a lc o n t a c tc o n d u c t a n c 圮c o e f f i c i e n t ；i n f l u e n c i n gf a c t o r ；h e a tt r a n s f e r ； e x p e r i m e n tr e s e a r c h i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：缝：堑盈日期：丑! ：竺 固体界面接触换热系数的实验研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 墩：纠 导师签名二逸兰壑 正年月卫日金z 年芝月上旦日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题来源及意义 引言 1 1 1 课题的来源 在固体界面间的接触换热问题的研究过程中，当两个固体表面相互接触时，注意到 无论固体表面多么光滑，微观上它们都是粗糙不平的【1 1 由于微观表面的粗糙度，在接 触界面存在着众多的大小不一的微突体，两固体的实际接触仅发生在接触面的这些离散 的微突体上，界面上实际接触面积仅占名义接触面积的一小部分。这种接触的不完全性 导致了热接触界面间的温度阶跃，从而产生了接触热阻( t c r ) ，接触热阻的倒数即为 接触换热系数( t c cc o e 伍c i e n t ) 研究分析表明，接触换热是一个受材料热物性、材 料机械特性、材料表面性质，表面粗糙度及负载、温度，介质和环境等众多因素影响的 非线性问题。这一问题的研究涉及到粗糙表面的微观描述、材料的形变理论、接触导热 等多个领域 接触换热问题由于其传热机理比较复杂，因而一直没有得到一个令人满意的解决方 案，现有的理论模型及公式与实际工程的应用还存在很大的差距。迄今为止，国外关于 接触换热的研究比较多，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 是因为国内的应用材料及其加工技术都与国外的有所不同导致界面接触换热系数虽然 可以通过理论进行预测，但是界面接触换热系数是受多因素耦合影响的非线性问题，其 传热机理比较复杂，现有的理论模型及公式对其的预测还远远不能达到实际应用的要 求，因此最基本的还是通过实验手段进行测量本课题题目是“固体界面接触换热系数 的实验研究”，它来源于国家9 7 3 资助项目，主要研究固体界面间接触换热系数的各主 要影响因素及接触换热系数与各主要影响因素间的关系 1 1 2 课题的研究意义和应用价值 研究结果发现，既使在接触界面施加很大的载荷，实际接触面积往往仅占名义接触 面积的1 3 ，因此接触热阻在实际中广泛存在。在过去二、三十年的时间里，接触换 热系数作为传热学研究中的一个活跃问题，引起了广大学者的关注。且随着传热技术的 不断发展和广泛应用，接触换热系数的测量已成为工程应用中一个十分重要的环节，而 此方面的数据也越来越紧缺，受到了人们极大的重视。热接触问题是传热学的一个重要 分支，在众多的工程实践和科学实验中存在。接触换热对航空航天、冶金、化工、核能、 机械制造、微电子、热能以及低温超导等领域有着重要影响唧 固体界面接触换热系数的实验研究 ( 1 ) 界面接触换热系数在工程实践中的应用 界面接触换热系数是工程应用中的一个重要参数，比如冶金行业连铸结晶器中的渣 膜与结晶器及铸坯间的接触、轧钢中的钢坯与轧辊间的接触、航天航空中热控与热管理 等、超导薄膜、半导体薄膜等领域。在一些机械设备中，特别是在汽车发动机中，常常 会涉及到双层薄同心圆筒的几何形状零件的接触，其接触热传导的研究和测量对零件的 制造成本和使用寿命、对发动机的整机设计和优化具有十分重要的意义。 另外在压力加工过程中坯料产生塑性变形的能量消耗几乎全部转换成熟能。这些热 能使工件和模具的温度升高，同时部分热量扩散到周围环境中，从工件传到模具的热量 对加工成形的精确度有很大的影响。而且模具中的温度梯度会产生热应力从而影响模具 的寿命，因此工件与模具和周围环境的热传导问题在精密压力加工中变得非常重要。例 如在铝合金的等温锻造过程，由于铝合金的锻造温度范围比较窄，通常为1 5 0 上下。 如果模具温度稍低或操作时间稍长，将使坯料( 尤其在薄壁处) 温度迅速降低，使变形 抗力增大，塑性降低因此锻件和模具的温度是影响最终成形精度的一个重要因素，为 了保证锻件成形精度就必须先控毒4 好坯料和模具的温度，而摸具与坯料之间的接触换热 直接影响到工模具和坯料的温度。因而能否控制好模具和坯料间的接触挨热关系到零件 的成形精度和工模具的寿命。 ( 2 ) 界面接触换热系数在数值模拟中的应用 随着计算机及数值模拟技术的发展，用计算机数值模拟方法来研究金属材料固态压 力加工工艺参数与材料的微观组织结构及性能的关系已经越来越得到广泛的应用。只要 建立合理的模型，运用合适的算法，通过数值模拟计算就能准确地计算出金属材料固态 压力加工过程的温度场、组织场、应力场及应变场等，并能预测出材料的微观组织结构 及性能。这样，通过对实际金属材料固态压力加工过程进行大量的数值模拟计算，可以 建立金属材料固态压力加工过程工艺参数与材料的微观组织结构及性能的关系。只要通 过少量验证性实验证明所建立的模型及数值模拟方法对特定问题的适用性，那么大量的 工艺参数筛选工作就可以由计算机来进行，这对于正确地选择金属材料固态压力加工工 艺参数，指导实际生产，具有很重要的实际意义。这种方法旨在克服“炒菜法”或“试 错法”的盲目性，使金属材料的固态压力加工在一定的“理论”指导下进行。与传统的 实验方法相比，计算机数值模拟方法可以节省大量的人力、物力和时间，更能适应现代 航空工业飞速发展的要求。 金属材料固态压力加工问题，归根到底是传热学、力学及相变等多学科交叉的综合 问题。其中温度场、组织场、应力场及应变场之间是相互影响的。要想精确模拟金属材 料的固态压力加工过程，首先应建立合理的传热学模型，精确计算温度场。在建立金属 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 材料固态压力加工过程的传热学模型时，工件与模具之间接触换热系数的选取尤其重 要。它直接影响温度场计算的准确性，而温度场计算的准确性又直接影响组织场、应力 场及应变场计算的准确性。所以说工件与模具之间的接触换热系数的确定是一个源头问 题，它如果选取不正确会导致整个金属材料固态压力加工过程数值模拟的失败。 ( 3 ) 界面接触换热系数在空间技术中的应用 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2 0 0 多度变 至数千度以上，其中的探测仪器又往往只能工作在特定的低温温度下( 多位液氨温区， 并且允许的偏差很小) 。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、 仪器设备之间的热交换过程进行控制。另外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，就需要对界面换热问题进 行理论和实验的研究，以对卫星内部导热过程进行有效的控制。例如对于空问站和通讯 卫星等宇航器的电力和能源系统，由于受尺寸和重量的限制，要求具有很高的能量密度， 但为了保证其温度适中，必须具有较好的散热通道，以提高接触热传导。 除此之外在众多的高新技术应用中，也常常接触到接触换热的问题。如：航空发动 机的冷却、液氨杜瓦与热负载的耦合、大规模集成电路芯片的散热等都是通过固体与固 体间的接触换热来实现的，在这种情况下就必须采取措施来增强固体界面间的接触换 热。另一方面，在需要绝热的场合，如杜瓦的支撑结构与杜瓦间的接触，液氨进液管与 外层和中间气冷屏的接触等，则需要求减少它们之间或者它们与其它介质的接触换热。 另外固体界面间的接触换热还是制冷机直接冷却超导电气系统的关键技术。可以夸张一 些说，只要有界面接触传热的地方，就要研究界面接触换热系数的问题，因此金属界面 间接触换热系数的测量受到了越来越多的学者和精密塑性成形企业的关注【4 】。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 界面接触换热系数国外研究状况 国外早在1 9 3 6 年s t a r t 就在实验室中发现在铜与氧化铜金属的接触界面上存在热流 方向性的现象，但当时两接触物体之间的热流情况并没有被广泛研究。直到1 9 4 3 年提 出两接触表面可以用多个凸峰或粗糙体来模拟，此后大量的学者对界面接触换热问题进 行了理论和实验研究。 从接触换热问题与物体结构的关系来划分，大体可以将其分为两大类： ( 1 ) 将接触换热问题与物体结构耦合起来，即热一结构耦合问题，考虑接触换热 与接触压力、接触表面形貌、接触物体材料性能等之间的关系。从事这方面的 圆4 t - y 面接触换热系数的实验研究 研究有c o o p e r 等人、8 a y l e s 和t h o m a s 钉，b u s h 和g - i b s o n 6 ，m a j u m d a r 和t i e n 啊 等。 ( 2 ) 将接触换热问题与物体结构解耦，即热一结构解耦问题，假定两接触固体的 几何形貌已知且保持不变，仅考虑热的计算，从事这方面的研究有：h u n t e r 和 w i l l i a m s 8 1 ，g i b s o n ，n e g o n s 和y o v a n o v i c h 9 1 等人。 从接触换热系数与其影响因素之间的关系来划分，大体可分为以下几种情况： ( 1 ) 接触换热系数与载荷之间的关系 n o v i k o v 【1 0 】利用统计分析，假定接触表面租糙体为球形且高度服从高斯分布，他认 为；对于在低载荷下的弹性交形，接触换热系数与载荷之间的关系服从指数规律；在高 载荷下，他们之间成线性关系；对于弹一塑性接触，指出发生塑性变形的接触点数与总 的接触点数之间成e x p ( - b a ) 的比例关系，式中b 为试件开始发生塑性变形时的临界 变形值，仃为均方根表面粗糙度，堋。 t s u k i z o e 和h i s a k a d o 1 1 】在统计分析中，假定接触表面粗糙度为圆锥形，商度服从正 态分布，最突出的特点是考虑了不同类型的表面粗糙度情况下轮廓斜率与粗糙体最大峰 值高度之间的关系。 m i k i c 1 2 1 在分析中考虑了服从高斯分布的轮廓峰值高度斜率、斜率以及c o o p e r 等人 提出的收束缓和系数。m i k i c 发现，无论是发生塑性变形还是弹性变形，接触换热系数 总是与p “9 4 成比例关系，即：ha c p “。 s a y l e s 和t h o m a s 1 3 】考虑了发生弹性变形的粗糙的高斯分布界面，并发现接触点数 与载荷成比例关系，从而得出接触换热系数与载荷以及平均斜率近似成比例关系，进一 步证实了m i k i c 的结果。 ( 2 ) 接触换热系数与其接触表面状态之间的关系 接触界面仅含气体媒质的情况 当热流通过两接触界面时，主要通过热传导方式，即： h s = k s 8 ( 1 1 ) 式中：h 。为气体的接触换热系数；_ j 。为气体的熟导率：万为有效的气体间隙厚度。 m a d h 咖通过实验发现，随着接触载荷的增加，减少了界面的间隙距离，从而 提高了气体的熟传导。 接触表面为非气体媒质的情况 f l e t c h e r 1 4 】提出了一个无因次热导玎的概念： ，7 = ( h o t ) ，( h 。磊) 6 ( 1 2 ) 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 式中：吃为界面接触换热系数；t 为间隙材料的厚度；瓯为等效气体厚度；厂表示 有表面涂层时的界面；b 表示无涂层时的界面。 目前，国外从事这方面的研究的主要有：f r i e de 【阍，k e l l e ym j 【1 6 l 和f r ye m 【1 刀等 人进行了在接触界面涂耐油脂时对界面接触换热系数影响的研究；研究在界面插入薄的 金属箔片时对接触换热系数的影响有c u n n i n gg & ，m o l g a r r dj 和s m e l t e rw w 等人忉； f r i e de ，和k e l l e ym j 【瑚，0 c a l l a g h e np w u g ，s n a i t hb ，p r o b e r ts d 和a 1 - a s t r a b a d i f 风，m a l k o vv a 和d o b a s h i np a 等人【7 j 研究在界面涂上相对较软的金属涂层时对接触 换热系数的影响；0 c a u a 妇等人曾建立了一个全面的热力学模型，也在两相互接触 的不锈钢试件上进行了实验研究。但其实验数据与他们所建立的模型不能很好的吻合。 1 9 8 5 年，v w a n t o n e t t i 和m m y o v a n o v i c h 2 0 从理论分析上分别给出了无涂层和有涂层 时的接触换热模型。 他们具体的理论分析如下图所示： a ) 无涂层时( 见图1 1 a ) 7 b 、 a 岛时( 口为热扩散率；k 为材料热导率) ，两 接触表面在圆周上接触，即成圆环形接触；而当热流从材料2 到材料l 时，两接触表面 在圆心相互接触，即成圆形接触。如图1 2 所示。 在真空环境中的不锈钢一铝接触实验验证了这一理论。但在空气环境中这一理论是 否成立，目前还没有被人论证。 值得指出的是，成中心接触的热流线收束较成圆环接触时的大，因此，当热流从不 锈钢到铝时接触换热系数比较大。这一理论与以前的研究者相违背。 q i 鱼臣 q a ) 恒温接触b ) 热变形形成圆环接触轮廓 c ) 热变形形成圆盘接触轮廓 图1 2 两物体相互接触时的宏观接触轮廓 f i g 1 2t h e m a c r o s c o p i c c o n t a c t c o n t o u r b e t w e e n t w oc o n t a c t o b j e c t s 微观几何效应： l e w i s 和p e r k i n s 7 考虑了微观模型并提出不同热导率的金属材料由于热流方向的不 同，其界面上的微观接触面积将发生变化。接触表面的情况( 平面波度、表面粗糙度) 大连理工大学硕士研究生学位论文 决定了实际具有高接触换热系数的方向，以及接触换热系数偏差的大小。当两粗糙且具 有平面波度的试件相互接触时，其均方根粗糙度较高而平面波度较小，当热流从具有高 的热导率材料流向低热导率材料时具有较大的接触换热系数。而当两接触材料具有较低 的均方根粗糙度和高的平面波度时，刚好相反，这种说法可以用来解释c h u s m g ，r o g e r s 和b a r z e l a y 等人之间的差异。 综合考虑宏观和微观几何影响 v e z i r o g l u 和c h a n d r a u l 扩展了c l a u s i n g 的理论和l e w i s 和p e r k i n s 以及p a t e l 等人的 理论，提出了一个双收柬( 宏观、微观) 模型。他们考虑了非均匀的热应力导致表面形 貌的改变并形成了一定的曲率半径。界面间隙t 在接触面中心线处，为： ，j厂一1 t = 去国2 刮“, - 7 - 一_ a 2f ( 1 6 ) z 二 l h 五2j 式中：尊为稳态状态时的热流密度，w m 2 ；d 为试件直径，m ；a 。，a ：分别为两 接触材料的热扩散率，m s ；k l ，k 2 分别为两接触材料的热导率，w ( m 肼。 则判断产生方向效应的准则： 1 如果f 大于表面粗糙度的数量级，当热流从具有较小a k 值的固体流向大的 a k 值的固体时的接触换热系数大，即微观效应占主导。 2 如果f 小于表面粗糙度数量级时，会出现与相反的情况，此时宏观影响占主 导。 s o m e r s 等人认为在考虑热方向效应时应同时考虑宏观和微观几何的影响。 综上所述可知，热流的方向效应是否存在? 热流方向效应的影响因素以及对接触换 热系数的影响行为的合理的实验和理论解释至今仍然没有找到一个让人满意的答案。同 时，热流方向效应随着热循环次数的增加的变化情况仍需进一步探究。 ( 4 ) 接触换热系数与接触表面平均温度之间的关系 可分为三种情况来考虑温度变化对接触换热系数的影响： 对于相同的材料之间的相互接触，在真空条件下，压力一定时，接触换热系 数随着温度的升高而升高。主要是由于：随着温度的升高，导致材料硬度的 降低，从而使接触面积增大。随着温度的升高，辐射换热变得明显。 对于不同材料之间的相互接触，尤其是热膨胀系数差别很大时，接触换热系 数可能随接触表面平均温度的增加而减少。主要是由于大的膨胀系数产生热 应力而导致接触几何形状的改变，从而使接触面积减小。 9 里垡墨亘堡丝垫垫墨塑堕塞堕堑塞 一一 当然，如果在界面上存在气体或固体介质，那么接触换热系数可能增加也可 能减少，随着界面温度的升高，取决于介质的热物理特性例如气体，它的 热导率将随着温度的升高而增大 1 9 7 6 年，g i b s o n 网采用了一个直接的方法来求解单点接触收束热阻情况下界面的混 合边界值问题如图1 3 所示。他的方法与h u n t e r 和w i l l i a m s 的方法非常相似，同时也与 1 9 4 9 年r o s s 的近似方法的结果差别不大。 图1 3 单点接触圆盘模型 f i g 1 3 t h em o d e lo f s i n g l ed i s cc o n t a c t 则接触换热系数的计算公式为； 吃2 鑫 ，( d = 1 0 4 0 9 1 8 3 ( 占) + 0 3 3 8 0 1 0 ( 占) 3 + o 0 6 7 9 2 ( e ) 5 + 式中：a s , r 。为名义接触面积；口为接触点的半径；k 为接触换热系数 道半径： ：+ 士， ，如为两接触材料的热导率； 如 岔= a ，b2 ( 1 7 ) 6 为热流通 艿为界面间隙，占一0 。 t h o m 嬲和p r o b e 甜1 3 1 等人在进行无因次分析时认为名义接触面积在接触换热系数中 并不起重要作用，影响接触换热系数的也不是表面压力而是总载荷，他们在分析中采用 了两个无因次变量： l o 4 丁 南带 大连理工大学硕士研究生学位论文 c = c # k 和w = w ( a 2 奶( 式中：c 表示接触副总的接触换热系数， w ( m 2 置) ；| 表示接触副调和平均导热系数，1 k = l k , + l k 2 ，缸，k 2 分别为两接触 体的导热系数，w ( m d ；仃表示表面均方根粗糙度，m ；w 表示界面接触压力，； 日表示两接触体中较软材料的显微硬度，n m 2 ) ，并通过实验得出了不锈钢与不锈钢， 铝与铝接触的经验公式： 不锈钢与不锈钢：c 。= 0 2 6 ( w ) “ ( 1 8 ) 铝与铝： c + = 3 7 3 ( w ) o “ ( 1 9 ) 另外，还有许多学者对接触问题作了较为深入的研究，并提出了经实验后各自的经 验公式，见表1 1 。 表1 1 真空下界面接触换热系数的载荷指数 t a b 1 1t h ep r e s s u r ei n d e xo f t c cc o e f f i c i e n tu n d e rv u u n lc o n d i t i o n 作者 试样载荷指数 h e g a z y s t a i n l e s ss t e e l ，n i c k e l ，z i r c o n i u mo 9 5 e d m o n d se t a s t a i n l e s ss t e e la n dc o p p e ro 6 0 p o p o v s t e e l ，a l u m i n u ma n do t h e rm a t e r i a l s 0 9 5 6 o c a l l a g h e n s t a i n l e s ss t e e la n da l u m i n u mo 6 6 a n dp r o b e t t m a l k o v m e t a c o n t a c t so 6 6 t i e ns t a i n l e s ss t e e la n da 1 u m i l l u l no 8 5 1 2 2 界面接触换热系数国内研究状况 国内对接触换热系数的研究于8 0 年代末开始。近几年，研究人员和研究内容都逐 渐多起来。 西安交通大学皇甫哲【2 3 】在1 9 8 9 年的博士毕业论文中研究了金属接触面的接触换 热。他用有限元方法计算了单点锥体接触模型的接触换热系数；在提出只需考虑接触面 弹性变形的基础上，推出了多接触点接触换热系数的算法；对多种接触情况下的接触换 热系数进行了实验研究；并对热流方向效应、滞后效应、热流密度的影响和接触面上切 应力的影响进行了探讨。 南京航空航天大学顾慰兰在1 9 9 2 年进行了接触换热实验方面的研究刚，在此基础 上研究了温度对接触换热系数的影响【2 5 1 并提出半经验公式【2 6 1 。 上海交通大学徐烈以及张涛、杨军、赵兰萍等于1 9 9 5 年开始研究低温下固体表面 接触换热系数的问题。他们研究的内容比较广泛，包括理论模型分析，表面形貌、反复 固体界面接触换热系数的实验研究 加载对接触换热系数的影响，双热流法测接触换热系数等 2 7 - 3 1 1 。他们对界面接触换热研 究中的表面形貌和形变模型进行了具体的比较，讨论了这些模型的优缺点，提出了在低 温真空环境下建模中需要注意的一些问题。但是其实验的温度范围1 3 0 k 1 5 0 k 之间， 压力0 3 m p a ，即低温、小压力的情况。 北京科技大学殷晓静研究了同心圆柱套筒间的接触换热系数，比较系统地研究了数 学模型、参数影响以及实验方法 3 2 - 3 5 l 。 浙江大学应济对粗糙表面接触换热进行了理论和实验研列3 6 1 ，并对换热影响下的接 触换热系数进行了估计阳，对机械系统中接触换热现象用统计数学和接触力学的方法推 导出接触换热的理论公式，并对计算模型作了如下基本假设： 1 接触面上的微凸体曲率半径相同，高度按g