CN102768224A - 正反双向热流法测固-固接触热阻的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明在美国国家标准ASTME1225和ASTMD5470基础上提出了一种正反双向热流法测固-固接触热阻的方法,所述的测试方法是采用上下双向热流的对称结构测试结构，可以基本消除由于测试试件上布置的多个温度传感器与测试试件的接触情况各异从而产生的温度测量的不确定性误差，从而提高测试精度。结合可控温热辐射防辐射屏来及辅助措施减小横向热流损失，并采用一经优化的最小测试热流量来保证测试材料的温度梯度的一维性，来达到高精度测试试件的热物性参数的目的，本方法可高精度的测量同种材料及不同种材料间的界面接触热阻。

Description

正反双向热流法测固-固接触热阻的测试方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种固-固接触热阻测试方法，适用于对常用材料之间的界面接触热阻的测试，尤其适用于对固-固材料的界面接触热阻测试。

背景技术

接触热阻是一个受材料物性、机械特性、表面形貌、接触压力、温度、间隙材料等众多因素影响的参数。根据实验热流是否稳定，一般把接触热阻测量方法分为瞬态法和稳态法。瞬态法也是一种常用的接触热阻实验测量方法，其主要包括激光光热测量法、热成像法、“flash”闪光法、激光光声法等，其中激光光热测量法又包含调制光热法和热扫描法，调制光热法又有光热幅值法、光热相位法和脉冲法之分。虽然各种瞬态法虽宜于快速测量且可测量小到纳米数量级的薄膜，但其测量过程易受各种因素影响，且公式推导相对复杂，测量精度也较难保证。因此，界面接触热阻测量方法最常用的是稳态法：在两接触样品上维持一定的温差，测量两样品轴向上的温度值，再由傅里叶定律外推至接触界面处从而得到界面上的温差；热流量可由热流量计测量或由样品材料的热导率和温度梯度计算得到，从而R=|T1-T2|/Q。稳态接触热阻测试方法多是和美国国家标准ASTMD5470-06的测试标准设备相类似，但多有文献指出由于温度测量的不确定性误差和热损失误差很难保证对界面接触热阻有足够高的测量精度。

发明内容

本发明为了解决由于测试试件上布置的多个温度传感器与测试试件的接触情况各异从而产生的温度测量的不确定性误差，提供了一种正反双向热流法测固-固接触热阻的方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种正反双向热流法测固-固接触热阻的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，测试设备的准备和测试试件测试点的选取：

加工出两试件，将试件竖直安装在两个上下对称设置的制冷加热套之间，在两制冷加热套上设置有应力加载装置，所述的试件上设置有温度传感器，温度传感器与数据采集***连接，用于测试试件的轴向温度；

试件上测试点之间的位置满足如下关系：以两试件纵轴方向上的接触界面截面位置为对称面，两试件上的测试点位置完全对称，每个试件从下端面到上端面之间均设置n个测试点，每个试件上相邻两个测试点之间的轴向距离相等，测试点之间的距离为dx；

第二步，加载压应力，正向对试件加热：

对两试件轴向的其中的一端加热，另一端冷却，试件温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括各试件上n个测试点的测量温度T_i，ji=1，……n，n为每个试件上测试点数目并按对称面对称，j=1，2分别表示两不同的试件；

第三步，采集测试点温度和正向接触热阻R′的计算：

将两试件上每一个测试点上的温度进行采集和存储，此时试件上n个测试点的测量温度为T_i,j′i=1，……n；

根据每个试件上n个测试点的位置和测量温度T_i,j′的温度梯度关系，通过数值外推法可得到两试件在接触界面处的外推温度T_s-1′和T_s-2′，进而接触界面温差ΔT_s′为：

ΔT_s′＝T_s-1′-T_s-2′

此时由已知热流量Q进而得到正向接触热阻

第四步，加载压应力，反向加载热流，采集测试点温度：

同样条件下，加载和第二步相同的压应力，反向操作，对两试件轴向的一端加热，一端冷却，试件温度达到稳定后开始采集测试温度；

第五步，反向接触热阻R″的计算：

将两试件上每一个测试点上的温度进行采集和存储，此时试件上n个测试点的测量温度为T_i，j″i=1，……n；

同样，根据每个试件上n个测试点的位置和测量温度T_i，j″的温度梯度关系，通过数值外推法可得到两试件在接触界面处的外推温度T_s-1″和T_s-2″，进而接触界面温差ΔT_s″为：

ΔT_s″＝T_s-1″-T_s-2″

此时由已知热流量Q进而得到反向接触热阻

第六步，接触热阻R的计算：

在正向测试时，若两试件接触界面的外推温度T_s-1′和T_s-2′为：

T_s-1′＝a_s-1(T_s-1-T_ref)+E_s-1

T_s-2′＝a_s-2(T_s-2-T_ref)+E_s-2

其中a_s-1和a_s-2为温度传感器的系数，T_s-1和T_s-2为两试件正向测试时在接触界面的实际温度，T_ref为温度传感器的参考温度，E_s-1和E_s-2为温度传感器的误差项；

正向接触热阻R′为：

$R^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_s^{\′}}{Q}=\frac{a_{s-1}+a_{s-2}}{2}\·R+\frac{a_{s-1}-a_{s-2}}{2}\frac{(T_{s-1}+T_{s-2}-2T_{\mathrm{ref}})}{Q}+\frac{E_{s-1}-E_{s-2}}{Q}$

同理，反向测试时两试件接触界面的外推温度T_s-1″和T_s-2″为：

${T_{s-1}}^{\′\′}=a_{s-1}({\stackrel{\←}{T}}_{s-1}-T_{\mathrm{ref}})+{\stackrel{\←}{E}}_{s-1}$

${T_{s-2}}^{\′\′}=a_{s-2}({\stackrel{\←}{T}}_{s-2}-T_{\mathrm{ref}})+{\stackrel{\←}{E}}_{s-2}$

其中，

和

为两试件反向测试时在接触界面的实际温度，

和

为温度传感器的误差项；

同理反向接触热阻R″为：

$R^{\′\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_s^{\′\′}}{Q}=\frac{a_{s-1}+a_{s-2}}{2}\·R+\frac{a_{s-1}-a_{s-2}}{2}\frac{({\stackrel{\←}{T}}_{s-1}+{\stackrel{\←}{T}}_{s-2}-2T_{\mathrm{ref}})}{Q}-\frac{{\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2}}{Q}$

因温度传感器的系数a_s-1=a_s-2=1，则接触热阻R为：

$R=\frac{R^{\′}+R^{\′\′}}{2}+\frac{(E_{s-1}-E_{s-2})-({\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2})}{Q}$

此时可令 $(E_{s-1}-E_{s-2})\≈({\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2})\≈0,$ 从而 $R=\frac{R^{\′}+R^{\′\′}}{2}.$

为保证温度梯度的一维性，试件为圆柱体或长方体。

在正反双向测试时对接触界面温度T_s-1′、T_s-1″和T_s-2′、T_s-2″的计算也可采用最小平方法进行线性拟合求解或反问题方法求解。

为较高精度的计算得到热流量，在测试试件两端或任意一端轴向加设同样截面尺寸的标准热流量计。

所述的温度传感器采用热电偶、热电阻、PT100或PT25。

本发明的有益效果是：

本发明提供的测试方法可以基本消除由于测试试件上布置的多个温度传感器与测试试件的接触情况各异从而产生的温度测量的不确定性误差，从而提高测试精度。

附图说明

图1为本发明方法采用的装置的结构示意图。

图2为本发明的***测试原理图。

图3为本发明中测试试件1的温度传感器布置示意图。

图4为采用本发明方法在测试压力2MPa时测试一种铜合金材料之间接触热阻随加热功率的关系。

具体实施方式

因此，为解决上述问题，本发明在美国国家标准ASTM E1225和ASTM D5470基础上提出了一种正反双向热流法测固-固接触热阻的方法,所述的测试方法是采用上下双向热流的对称结构测试结构，可以基本消除由于测试试件上布置的多个温度传感器与测试试件的接触情况各异从而产生的温度测量的不确定性误差，从而提高测试精度。结合可控温热辐射防辐射屏来及辅助措施减小横向热流损失，并采用一经优化的最小测试热流量来保证测试材料的温度梯度的一维性，来达到高精度测试试件的热物性参数的目的，本方法可高精度的测量同种材料及不同种材料间的界面接触热阻。

在图1中，本发明公开了一种高精度热界面材料的测试装置，该装置为上下正反双向热流测试的对称结构，包括控制***、支架3、第一滚珠套筒4-1、第二滚珠套筒4-2、滑动螺杆5、定向钢球和压力传感器6、辅助加热器7、真空罩9、试件测试区10、应力加载装置、真空抽放气口13、进出水口14、数据采集***、密封底盘16，支撑板17，水平调节杆20和加热丝21；其特征在于：应力加载装置由液压缸11和压力动力源12组成，液压缸11位于压力动力源12的上方；数据采集***由温度传感器、密封数据接头15组成，温度传感器通过导线与密封数据接头15相连；控制***由可控温防辐射屏2、加热制冷套1和控制防辐射屏加热丝R2组成；试样测试区10包括测试试件，其中定向钢球和压力传感器6、支架3、支撑板17和加热制冷套1上下对称，定向钢球和压力传感器6固定在支撑板17中心位置，应力加载装置通过支架3定位并和定向钢球以及压力传感器6接触，为试样加载应力，第一滚珠套筒4-1设置在滑动螺杆5的上下两端与支撑板17固定，第二滚珠套筒4-2设置在滑动螺杆5的底部并与支架3固定，辅助加热器7位于支撑板17和加热制冷套1之间，试样测试区10位于上下对称的两个加热制冷套1之间，两个可控温防辐射屏2位于试样测试区10的外部，真空罩9位于整个装置的外部固定于密封底盘16上，滑动螺杆5固定于密封底盘16的上部，真空抽放气口13、进出水口14和密封数据接头15均设置在密封底盘16上，液压缸11贯穿密封底盘16的中心，密封底盘上设置有四组水平调节杆20。

图2为本发明的测试原理示意图，在进行测试过程中，根据热流量计和试件上的温度传感器测量温度由控制***调控防辐射屏上的加热装置和热流量计和试件近似的温度梯度以此来减小热量损失。在上下制冷加热套的位置也相应布置有辅助加热器来调控和加热源近似的温度来减小热损失。

第一步，测试设备的准备以及测试热流量计和试件测试点的选取：

如图1和图2所示，可根据已知材料的导热系数制作出两标准材料（本实施例采用99.999%的纯铜）热流量计，加工出两铜合金材料试件，将试件竖直安装在两个上下对称设置的制冷加热套之间，在两制冷加热套上设置有应力加载装置，所述的试件上设置有温度传感器，温度传感器与数据采集***连接，用于测试试件的轴向温度；

试件上测试点之间的位置满足如下关系：以两试件纵轴方向上的接触界面截面位置为对称面，两试件上的测试点位置完全对称，每个试件从下端面到上端面之间均设置4个测试点，每个试件上相邻两个测试点之间的轴向距离相等，测试点之间的距离为dx=25mm，从接触界面到一个测试点的位置为2mm，如图2所示试件1的(T.x)₈测试点到接触界面的距离为2mm，试件2同样从接触界面到一个测试点的位置为2mm。并按温度传感器尺寸在标准材料热流量计和试件上等距的加工出温度传感器的探头安装孔，所述的温度传感器的探头安装孔≤0.5mm,探头安装孔里通过焊接或导热膏粘结≤0.5mm的温度传感器探头，温度传感器通过真空腔壁的连接器与数据采集***连接，本发明的温度传感器采用热电偶。

第二步，加载压应力（本实施例加载压力为2MPa），正向对试件加热：

如图1所示将布置有4组温度传感器的试件竖直夹装在上下两端对称设有热流量计、制冷加热套、辅助加热装置的真空腔中，为较小热损失在保温层外层加设一内嵌有加热装置的可控温防辐射屏，在抽真空后进行顶端加热底端制冷的正向热流测试，此时可控温防辐射屏模拟出近似试件的温度梯度，顶端布置的辅助加热器根据加热制冷套的温度控制其温度减小纵轴向的热损失，达到稳态时进行温度数据采集，此时加载功率可通过上下对称布置的热流量计的来换算热流量；

第三步，采集测试点温度和正向接触热阻R′的计算：

在加正向热流测试时，如图2所示，根据试件1上的(T.x)₅、(T.x)₆、(T.x)₇与(T.x)₈和4个测试点位置的温度梯度关系，以及试件2上的(T.x)₉、(T.x)₁₀、(T.x)₁₁和(T.x)₁₂与4个测试点位置的温度梯度关系，通过数值方法外推得到的试件1的外推界面温度为T_s-1′，试件2的外推界面温度为T_s-2′。

T_s-1′＝a_s-1(T_s-1-T_ref)+E_s-1

T_s-2′＝a_s-2(T_s-2-T_ref)+E_s-2

两试件的界面温差为：ΔT_s′＝T_s-1′-T_s-2′

其中a_s-1和a_s-2为温度传感器的系数，T_s-1和T_s-2为两试件正向测试时在接触界面的实际温度，T_ref为温度传感器的参考温度，E_s-1和E_s-2为温度传感器的误差项。

则正向接触热阻R′为：

$R^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_s^{\′}}{Q}=\frac{a_{s-1}+a_{s-2}}{2}\·R+\frac{a_{s-1}-a_{s-2}}{2}\frac{(T_{s-1}+T_{s-2}-2T_{\mathrm{ref}})}{Q}+\frac{E_{s-1}-E_{s-2}}{Q}$

其中Q为热流量。

如图4所示，正向分别加载从1W～9.5W的热流量，试件温度达到稳定后开始采集测试温度；

第四步，加载压应力，反向加载热流，采集测试点温度：

同样条件下，维持加载和第二步相同的压应力（2MPa），反向操作，进行顶端制冷底端加热的反向热流测试，同样此时可控温防辐射屏模拟出近似试件的温度梯度，底端布置的辅助加热器根据加热制冷套的温度控制其温度以减小纵轴向的热损失，在达到稳态时再采集该温度数据。

第五步，反向接触热阻R″的计算：

同样根据试件1和试件2上的3个测试点的位置和测量温度的温度梯度关系，通过数值方法外推得到的反向测试时试件1的接触界面的外推温度T_s-1″和试件2的接触界面的外推温度T_s-2″：

${T_{s-1}}^{\′\′}=a_{s-1}({\stackrel{\←}{T}}_{s-1}-T_{\mathrm{ref}})+{\stackrel{\←}{E}}_{s-1}$

${T_{s-2}}^{\′\′}=a_{s-2}({\stackrel{\←}{T}}_{s-2}-T_{\mathrm{ref}})+{\stackrel{\←}{E}}_{s-2}$

其中，

和

分别为为两试件反向测试时在接触界面的实际温度，

和

为温度传感器的误差项；

同理反向接触热阻R″为：

$R^{\′\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_s^{\′\′}}{Q}=\frac{a_{s-1}+a_{s-2}}{2}\·R+\frac{a_{s-1}-a_{s-2}}{2}\frac{({\stackrel{\←}{T}}_{s-1}+{\stackrel{\←}{T}}_{s-2}-2T_{\mathrm{ref}})}{Q}-\frac{{\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2}}{Q}$

如图4所示，反向分别加载从1W～9.5W的热流量，试件温度达到稳定后开始采集测试温度；

第六步，接触热阻R的计算：

因温度传感器的系数a_s-1=a_s-2=1，则接触热阻R为：

$R=\frac{R^{\′}+R^{\′\′}}{2}+\frac{(E_{s-1}-E_{s-2})-({\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2})}{Q}$

此时可令 $(E_{s-1}-E_{s-2})\≈({\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2})\≈0,$ 从而 $R=\frac{R^{\′}+R^{\′\′}}{2}.$

图4为在2MPa压力下正反向加载热流量时的正反向接触热阻R′和R″同加载热流量的关系，如图4所示，因在加热功率小于2W时，此时由于温度场的一维性较差热损失也较大，而在热流量大于2W时此时温度场的一维性较好，且热损失也≤0.3%，所以采信热流量3~9.5W时的数据，正向加热测试时接触热阻R′平均约为0.330±0.003K/W，反向加热测试时接触热阻R″约为0.305±0.005K/W，可见由于测试试件上布置的多个温度传感器与测试试件的接触情况各异从而产生的温度测量的不确定性误差造成正方向测试时偏差达7.8%，可见其造成的误差不能被忽略，继而本方法认为实际接触热阻为

Claims (5)

1.一种正反双向热流法测固-固接触热阻的测试方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

第一步，测试设备的准备和测试试件测试点的选取：

加工出两试件，将试件竖直安装在两个上下对称设置的制冷加热套之间，在两制冷加热套上设置有应力加载装置，所述的试件上设置有温度传感器，温度传感器与数据采集***连接，用于测试试件的轴向温度；

试件上测试点之间的位置满足如下关系：以两试件纵轴方向上的接触界面截面位置为对称面，两试件上的测试点位置完全对称，每个试件从下端面到上端面之间均设置n个测试点，每个试件上相邻两个测试点之间的轴向距离相等，测试点之间的距离为dx；

第二步，加载压应力，正向对试件加热：

对两试件轴向的其中的一端加热，另一端冷却，试件温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括各试件上n个测试点的测量温度T_i，ji=1，……n，n为每个试件上测试点数目并按对称面对称，j=1，2分别表示两不同的试件；

第三步，采集测试点温度和正向接触热阻R′的计算：

将两试件上每一个测试点上的温度进行采集和存储，此时试件上n个测试点的测量温度为T_i,j′i=1，……n；

根据每个试件上n个测试点的位置和测量温度T_i,j′的温度梯度关系，通过数值外推法可得到两试件在接触界面处的外推温度T_s-1′和T_s-2′，进而接触界面温差ΔT_s′为：

ΔT_s′＝T_s-1′-T_s-2′

此时由已知热流量Q进而得到正向接触热阻

第四步，加载压应力，反向加载热流，采集测试点温度：

同样条件下，加载和第二步相同的压应力，反向操作，对两试件轴向的一端加热，一端冷却，试件温度达到稳定后开始采集测试温度；

第五步，反向接触热阻R″的计算：

将两试件上每一个测试点上的温度进行采集和存储，此时试件上n个测试点的测量温度为T_i,j″i=1，……n；

同样，根据每个试件上n个测试点的位置和测量温度T_i,j″的温度梯度关系，通过数值外推法可得到两试件在接触界面处的外推温度T_s-1″和T_s-2″，进而接触界面温差ΔT_s″为：

ΔT_s″＝T_s-1″-T_s-2″

此时由已知热流量Q进而得到反向接触热阻

第六步，接触热阻R的计算：

在正向测试时，若两试件接触界面的外推温度T_s-1′和T_s-2′为：

T_s-1′＝a_s-1(T_s-1-T_ref)+E_s-1

T_s-2′＝a_s-2(T_s-2-T_ref)+E_s-2

其中a_s-1和a_s-2为温度传感器的系数，T_s-1和T_s-2为两试件正向测试时在接触界面的实际温度，T_ref为温度传感器的参考温度，E_s-1和E_s-2为温度传感器的误差项；

正向接触热阻R′为：

$R^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_s^{\′}}{Q}=\frac{a_{s-1}+a_{s-2}}{2}\·R+\frac{a_{s-1}-a_{s-2}}{2}\frac{(T_{s-1}+T_{s-2}-2T_{\mathrm{ref}})}{Q}+\frac{E_{s-1}-E_{s-2}}{Q}$

同理，反向测试时两试件接触界面的外推温度T_s-1″和T_s-2″为：

${T_{s-1}}^{\′\′}=a_{s-1}({\stackrel{\←}{T}}_{s-1}-T_{\mathrm{ref}})+{\stackrel{\←}{E}}_{s-1}$

${T_{s-2}}^{\′\′}=a_{s-2}({\stackrel{\←}{T}}_{s-2}-T_{\mathrm{ref}})+{\stackrel{\←}{E}}_{s-2}$

其中，和

为两试件反向测试时在接触界面的实际温度，

和

为温度传感器的误差项；

同理反向接触热阻R″为：

$R^{\′\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_s^{\′\′}}{Q}=\frac{a_{s-1}+a_{s-2}}{2}\·R+\frac{a_{s-1}-a_{s-2}}{2}\frac{({\stackrel{\←}{T}}_{s-1}+{\stackrel{\←}{T}}_{s-2}-2T_{\mathrm{ref}})}{Q}-\frac{{\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2}}{Q}$

因温度传感器的系数a_s-1=a_s-2=1，则接触热阻R为：

$R=\frac{R^{\′}+R^{\′\′}}{2}+\frac{(E_{s-1}-E_{s-2})-({\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2})}{Q}$

此时可令 $(E_{s-1}-E_{s-2})\≈({\stackrel{\←}{E}}_{s-1}-{\stackrel{\←}{E}}_{s-2})\≈0,$ 从而 $R=\frac{R^{\′}+R^{\′\′}}{2}.$

2.根据权利要求1所述的正反双向热流法测固-固接触热阻的测试方法，其特征在于试件为圆柱体或长方体。

3.根据权利要求1所述的正反双向热流法测固-固接触热阻的测试方法，其特征在于在正反双向测试时对接触界面温度T_s-1′、T_s-1″和T_s-2′、T_s-2″的计算也可采用最小平方法进行线性拟合求解或反问题方法求解。

4.根据权利要求1所述的正反双向热流法测固-固接触热阻的测试方法，其特征在于在测试试件两端或任意一端轴向加设同样截面尺寸的标准热流量计。

5.根据权利要求1所述的正反双向热流法测固-固接触热阻的测试方法，其特征在于所述的温度传感器采用热电偶、热电阻、PT100或PT25。

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