CN109839406A - 一种界面接触热阻的高精度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种界面接触热阻的高精度测试方法，属于测试技术领域，本发明所述的测试方法采用先进的非接触热成像技术进行多个数据点的平均处理，较现有界面温差的界面外推或随机取值选取方法，该测试方法能更为精准的计算得到界面温差，也更进一步提高了采用先进热成像技术进行界面接触热阻的测试精度，可实现高温、瞬态和微纳米尺度的界面接触热阻高精度测试，并且可实现从常温~2700℃温度区间的界面接触热阻测试。

Description

一种界面接触热阻的高精度测试方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种界面接触热阻的测试方法。

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ASTM D5470-06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。

高温条件下温度测量主要有接触式和非接触式测量方法，由于普通的接触式温度测量温度范围有限，且温度探头需嵌入到试件内部，可能破坏试件温度分布，导致测量结果出现偏差。更为重要的是，采用接触式方法无法直接测量高温接触界面处温度，需要在试件轴向方向布置多个测点，然后外推计算出界面温度，其测量误差大，而且在厚度只有几毫米的试件上开孔定位也很难实现。因在大热流密度加载地高温条件下的接触界面温差在毫米距离已经高达上百摄氏度,此时如果还是以温度传感器打孔安装的方式外推界面温度已经不再适用,且在高温条件下，由于温度传感器引入的附加误差影响也会相当明显。总之，上述稳态方法和非稳态方法主要是针对常温及不超过600℃情况下的材料接触热阻测量方法，而高温条件下的接触热阻由于涉及诸多关键问题一直没有很好的且具有较高精度的测试方法可用于实际测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种界面接触热阻的高精度测试方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种界面接触热阻的高精度测试方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，测试设备的准备：

将待测上、下两试样设置在加热体和制冷块之间；

第二步，加载压应力，开启加热体和制冷块：

加载所需压应力，开启加热体，同时对制冷块进行冷却；

第三步，采集待测试样界面上的温度数据：

采用高清热成像技术对待测上、下两试样界面上的温度进行采集和存储，得到温度场图像；

第四步，温度场图像数据的处理：

对该温度场图像进行图像提取，提取后图像需包括待测试样接触界面，对提取后的图像数据进行平均值处理，再以提取后图像纵向方向(待测试样轴向方向或待测试样设置方向)的像素点为纵坐标(或横坐标)，以其对应的温度值为横坐标(或纵坐标)作数据拟合曲线，得到待测两试样的温度梯度曲线和待测两试样接触界面间的温度曲线，设所得曲线交点之间的差值为界面温差ΔT_c；

第五步，接触热阻R的计算：

式中，R为接触热阻，ΔT_c为界面温差，q为待测试样接触界面处热流量值。

优选的，为精确得到热流量数值，可在待测的上、下两试样与加热体和制冷块之间，加设一个或者两个热流量计。

优选的，第四步中，以待测试样轴向方向和截面方向，对所述温度场图像进行矩形图像提取，提取后的矩形图像需包括待测试样接触界面，其大小为n×m像素点，其中，n和m均不小于4。

优选的，第四步中，对提取后的待测试样横向方向的图像数据进行平均处理。

优选的，第四步中，为更高精度的计算得到界面温差和热流量值，对提取后的待测试样横向方向的每个像素点对应的温度数据进行平均处理。

优选的，第五步中，待测试样接触界面处热流量值q的计算公式如下：

式中，k_r为待测试样材料的导热系数，为待测试样的温度梯度。

优选的，所述的热成像技术包括红外成像测温、光场成像测温以及激光、光电子、信息和CCD成像测温技术。

同现有技术相比，本发明所述的测试方法采用先进的非接触热成像技术进行多个数据点的平均处理，较现有界面温差取值方法的界面外推或随机取值，该测试方法能更为精准的计算得到界面温差，也更进一步提高了采用先进热成像技术进行界面接触热阻的测试精度，可实现瞬态和微纳米尺度的界面接触热阻高精度测试，并且可实现从常温～2700℃温度区间的接触热阻测试。

为了便于深入了解本发明的结构内容以及所能达成有益效果，下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的一种测定接触热阻装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的待测材料试样对的接触界面温度测试原理图。

图3为本发明实施例的测试温度数据处理方法示例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

本发明所述的界面接触热阻的高精度测试方法，具体步骤如下：

第一步，测试设备的准备：

加工出待测的上、下两试样，将上、下两试样安装在加热体和制冷块之间，为精确得到热流量数值，在待测上、下两试样与加热体和制冷块之间，加设两个热流量计；

本发明的测试装置结构图如图1所示，该测试装置类似美国国家标准ASTM E1225，在其基础上为提高测试精度进行了进一步升级，比如为防止热损失，添加了多层热防护屏，整个测试区放置在真空腔体里，待测材料试样对的接触界面温度是利用热成像系统进行测温，图1中的试样1对应本发明的待测下试样，试样2对应本发明的待测上试样，高温加热体对应本发明的加热体，油冷板对应本发明的制冷块。

图2为本发明实施例的待测材料试样对的接触界面温度测试原理图，本实施例对界面温差的测量采用高分辨率的红外热像仪进行，采用了TELOPS的制冷型热像仪(型号：TEL-1000-MW-MCT，640×512像素，波长3.7-4.95μm)进行接触界面温度信息采集，加设显微镜头后其调焦范围约为0～30cm，因测试区间需要真空处理，所以在真空腔体上对应位置开设了一蓝宝石视窗，热像仪和蓝宝石视窗经过原厂多温度区间的温度校准。为减小热像仪与待测接触界面的辐射热损失，在多层热防护屏上开设了一约10mm的观察孔，此观察孔穿一导光筒，其内喷涂炭黑处理。在测试前，对测试材料对依次进行酒精、丙酮和异丙酮的超声波清洗后，对测试材料对的表面喷涂炭黑等高发射率的涂层以达到更高的红外测温精度。在材料表面贴装已校准的热电偶探头，通过依次从低温到高温选取典型温度点校准比对红外相机测量温度，从而确定发射率，再进行从常温至2700℃的温度再次校准，以保证界面接触温差的测试精度，为进一步更高精度的计算得到界面温差和热流量，对图1和2中的待测材料试样可进行360°周向旋转的温度数据采集。

第二步，加载压应力，开启加热体和制冷块：

加载所需压应力，开启加热体和真空抽吸系统，同时对制冷块进行冷却，并采集热流量计上的温度数据；

第三步，采集待测试两试样界面上的温度数据：

采用高清热成像技术对待测试两试样界面上的温度进行采集和存储；

第四步，温度数据的处理：

在图3中，本发明实施例的测试温度数据处理方法示例图。本测试过程中采用TEL-1000-MW-MCT型号制冷型热像仪，其所拍摄的温度场图像大小如图3a，该图像为512个像素点(待测试样轴向方向即纵向)×640个像素点(待测试样截面方向即横向)，其对应实际大小约为5120μm×6400μm。图3a中从上至下依次为上热流计、试样材料1和试样材料2。为提高界面温差和热流量的取值精度，对图3a的接触界面处进行图像提取，提取的图像为90个像素点(待测试样轴向方向)×100个像素点(待测试样截面方向)，见图3b，接触界面处温度分布呈现出三个不同温度范围的区域，将提取图像纵向方向(即待测试样截面方向)上每个像素点对应的温度数据进行约100个数据点的平均值处理(见图3c)，可以得出在其横向方向(即待测试样轴向方向)上的图像数据(像素点)上不同位置处所对应的平均温度值(见图3c和3d中系列虚线)。以该提取图像的纵向方向的像素点为纵坐标，以其对应的温度值为横坐标作图，得到平均样品温度分布点及不同斜率的三条数据拟合曲线(见图3d)，上、下两条曲线分别为待测上、下试样的测试温度梯度曲线(即曲线1和2)，中间的曲线则为待测两试样接触界面间的温度数据拟合曲线(即曲线3)。由曲线的斜率即再根据待测材料的热导率k_r，可以由公式(1)计算得到界面处热流量q。或者待测上、下试样的热流量值也可由热流量计给出，再由其平均值得到界面处热流量q。

第五步，界面处热流量q的计算：

式中，k_r为待测材料的导热系数，为待测试样的温度梯度。

如图3所示，待测上、下试样的测试温度拟合曲线分别为t₁＝1071.1464-0.22259p₁、t₂＝967.25-0.2277p₂(p₁和p₂为像素点，t₁和t₂为温度)，其温度梯度分别为-18586和-18970，本实施例中待测材料为碳纤维材料其热导率为15.1W/mK，从而得到界面处热流量q即待测上、下试样热流量的平均值为283547.8W/m²。

第六步，接触热阻R的计算：

式中，R为接触热阻，ΔT_c为界面温差，q为界面处热流量。

图3d中，取不同斜率的三条曲线的交点之间的差值为界面温差ΔT_c，该两个交点之间的界面温差ΔT_c为109.1℃，由界面温差ΔT_c和界面处热流量q即可计算得出待测试样材料的界面间接触热阻R为3.848×10^-4m²K/W。

本发明所述的界面接触热阻的高精度测试方法采用先进的非接触热成像技术进行多个数据点的平均处理，解决了以往采用接触式温度传感器需嵌入到试件里面会破坏了试件本身的温度场造成了测量的不准确问题；再是在热电偶嵌入的试件邻近区域对测量的准确性也会产生不利影响问题；传统测试方法对样品的几何特征也有严格要求，为准确得到样品轴向温度梯度需要布置多个测点，不能测量小到毫米厚度的试件材料问题；在高温条件下因会容易受到损坏和烧毁，现有技术不能测量在高温、高速流场或涉及化学反应的界面接触热阻问题。

总之，本发明所述的测试方法采用先进的非接触热成像技术进行多个数据点的平均处理，较现有界面温差的界面外推或随机取值选取方法，该测试方法能更为精准的计算得到界面温差，也更进一步提高了采用先进热成像技术进行界面接触热阻的测试精度，可实现高温、瞬态和微纳米尺度界面接触热阻的高精度测试。

以上所述为本发明的较佳实施例的详细说明与图附，并非用来限制本发明，本发明的所有范围应以专利权利书所要求保护的范围为准，凡与本发明的设计思想及其类似变化的实施例、近似结构，都应包含于本发明的专利保护范围之中。

Claims (9)

1.一种界面接触热阻的高精度测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步，将待测两组试样平行设置在加热体和制冷块之间；

第二步，开启加热体和制冷块；

第三步，采用热成像技术采集待测试样界面上的温度数据，得到温度场图像；

第四步，对所述温度场图像进行图像提取，提取后图像需包括待测两组试样的接触界面，再以提取后图像中y方向的像素点为纵坐标或横坐标，以其对应的温度值为相应坐标构建数据拟合曲线，得到待测两组试样的温度梯度曲线和待测两组试样接触界面间的温度曲线，，所述三条曲线具有两个交点，设所述交点之间的差值为界面温差ΔT_c，所述的y方向与待测两组试样的设置方向一致；

第五步，接触热阻R的计算：

式中，R为接触热阻，ΔT_c为界面温差，q为待测试样接触界面处热流量值。

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在待测两组试样与加热体和/或制冷块之间，加设1～2个热流量计。

3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，第四步中，以待测试样轴向方向和截面方向，对所述温度场图像进行矩形图像提取，提取后图像需包括待测试样接触界面，其大小为n×m像素点，其中，n和m均不小于4。

4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，第四步中，对提取后的图像数据进行平均值处理。

5.如权利要求1或4所述的测试方法，其特征在于，第四步中，对提取后的待测两组试样x方向的图像数据进行平均值处理，所述的x方向与y方向垂直。

6.如权利要求1或4所述的测试方法，其特征在于，第四步中，对提取后的待测两组试样x方向的每个像素点对应的温度数据进行平均值处理，所述的x方向与y方向垂直。

7.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，第五步中，待测试样接触界面处热流量值q的计算公式如下：

式中，k_r为待测试样材料的导热系数，为待测试样的温度梯度。

8.如权利要求7所述的测试方法，其特征在于，为待测试样的温度梯度曲线和待测试样接触界面间的温度曲线的斜率。

9.如权利要求1所述的测试方法，所述的热成像技术包括红外成像测温、光场成像测温以及激光、光电子、信息和CCD成像测温技术。