CN114384116A

CN114384116A - 一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置及方法

Info

Publication number: CN114384116A
Application number: CN202111596419.4A
Authority: CN
Inventors: 马国军; 马建立; 吴成伟; 李家杰; 高英豪; 邱俊豪
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2022-04-22

Abstract

一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置及方法，装置包括上下两个测试模块：上测试模块由上加载杆、两个试样、上保温桶、下加载台和加热单元组成；下测试模块由上加载台、两个试样、下保温桶和下加载台组成；整个测试模块放置于下支撑台上。加载装置与试验机及试样连接，为试样加载应力；加热单元位于上下两测试模块之间，同时为上下两模块加热；保温桶采用对开式结构，夹层填充隔热材料，减小热量横向传输；保温桶与试样上加工用于安装测温热电偶的孔道，通过试样内的热电偶测量出对应点的温度，计算试样界面接触热阻。本发明采用上下两个测试模块，可以同时进行两组试样的测试，效率提高，成本降低，尤其适合高温条件下的界面接触热阻测试。

Description

一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置及方法

技术领域

本发明属于热传输与阻断技术领域，涉及一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置及方法。

背景技术

微观状态下固体的表面一般都是非光滑的，所以固体和固体接触界面上真正的接触的只存在于少数粗糙峰之间，可以想象真实接触面积实际上远远小于表观接触面积。当热流从一固体经界面传至另一固体时，便会因为真实接触面积小而产生热流收缩，界面两侧产生温度差，这种由于界面真实接触面积减小而使热流传播受到的阻力称为界面接触热阻(一般简称界面热阻或接触热阻)。界面接触热阻的存在对传热过程有着重要影响，是一个非常重要的热物理参数，对界面接触热阻进行准确地测量有着极为重要的理论与实际应用价值。

接触热阻的影响因素众多，主要涉及接触材料的力学和物理特性(包括弹性模量、屈服强度、硬度以及导热系数等)、接触面的形貌、接触界面压力、接触界面的温度、接触界面之间的介质以及接触界面处化学键的状况等各个方面。在接触热阻的实际测量时，虽然不一定需要考察上述全部因素，但界面形貌、接触压力和界面温度往往是需要考虑的基本因素，所以测试工作量通常都很大，如何提高测试效率具有重要意义。

在界面接触热阻测试方法中，可分为瞬态法和稳态法，瞬态法可用于块状材料和微纳尺度材料界面热阻的测试，具有响应速度快、测量时间短、瞬时热源等优点，但其测量原理较为复杂，测量难度大，测量准确度也不易保证，测量费用高。稳态法则是通过测量界面两侧固体沿热流方向的温度分布，然后基于傅里叶传热定律拟合出固体在界面两侧的温度，从而得到界面两侧的温差算出界面热阻，所以稳态法的标准测量装置都是由上下两根试样、加载头、加热单元、测温单元、保温桶以及冷却单元等组成。相比瞬态法，稳态法的测量精度高、设备较为便宜、测试难度低以及成本较低，但如果测试温度较高的话，单次测试所需的时间可能长达十几个小时，测试费用也会急剧增加。与此同时，高温条件下测试时为了避免加载单元被高温损坏，需要在非测试方向进行保温隔热，但保温材料一般都不易受过高载荷，所以在高温、高载荷测试时会遇到困难。由于保温材料在高温时仍然不能完全隔绝热量传输，所以为了防止热量传递给加载装置，还需要在保温材料和加载装置之间设置冷却单元，温度越高，冷却单元的冷却效率要求就越高，但这样又使界面温度更难达到设定的高温，增加测试时长和成本。此外，如果还需同时考察表面形貌、压力等其它因素对接触热阻的影响，测试时间与费用将进一步增加。因此，发明一种能大幅提高接触热阻测试效率的装置与方法具有重要意义，但从现有文献资料来看，未曾见到有专门针对上述问题的解决方法。

发明内容

针对现有技术中，稳态法接触热阻测试耗时长、效率低以及费用高的问题，本发明提供一种测试效率高、费用低的界面接触热阻测试装置及方法，尤其适合高温条件下的界面接触热阻测试。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置，所述的测试装置主体包括上下两个测试模块。整个上、下测试模块组合后，放置于下支撑台26上。

所述的上测试模块包括上加载杆1、上端被测试样5和下端被测试样7、上保温桶9、下加载台11和加热单元14。

所述上加载杆1上端设有螺纹连接杆2，通过螺纹连接杆2与试验机加载单元相连，将试验机施加的载荷传递至试样端面；上加载杆1上方设置冷却水通道3，用于对上加载杆1进行冷却，防止热量传递至试验机损坏其加载单元和测力单元；上加载杆1中部靠近上端被测试样5的端面外缘加工出用于定位上端被测试样5的环形凸起结构4，形成柱状凹槽，上端被测试样5放置在此凹槽内，确保上端被测试样5被压缩时不侧翻，提高对中性和稳定性。

所述上端被测试样5和下端被测试样7位于上保温桶9内，其中下端被测试样7位于上端被测试样5下方；所述的上端被测试样5和下端被测试样7均为圆柱形结构，各加工一排4个用于安装测温热电偶的孔道6和孔道8，测试时上端被测试样5和下端被测试样7保持对中，尽量使孔道6和孔道8位于同一直线上。

所述上保温桶9采用对开式结构，外壁为耐高温金属材料，夹层填充保温隔热材料，减小热量横向传输；上保温桶9上预留一排8个用于安装测温热电偶的孔道10，孔道具体位置应与孔道6和孔道8的位置一一对应。

所述下加载台11为耐高温金属材料制成，其靠近下端被测试样7的一侧端面外缘加工出用于定位试样7的环形凸起结构12，形成圆柱形凹槽，试样7放置在此凹槽内，确保试样7被压缩时不侧翻，提高对中性和稳定性；下加载台11底部加工出用于放置加热单元14的内腔；下加载台11底部加工环状凸起结构13，以便于下测试模块中的上加载台15稳固相连；环状凸起结构13形成的柱状凹槽内径与加载用的试验机压缩夹具(盘状结构)外径匹配，可以使压缩夹具稳固的卡入凹槽内。

所述的下测试模块包括上加载台15、上端被测试样19和下端被测试样23、下保温桶21、下加载台25。

所述上加载台15为耐高温金属材料制成，靠近上测试模块端面加工有环状凹槽16，其尺寸和位置与上加载头1的环形凸起结构4相匹配，以便在需要时可以将下测试单元单独使用或与上测试单元调换使用；其靠近上测试模块端面加工环状凹槽17，与下加载台11的环状凸起结构13对应，便于两者稳固相连；在上加载台15下端靠近试样一侧加工环状凸起结构18，形成圆柱形凹槽，上端被测试样19放置在此凹槽内，确保试样19被压缩时不侧翻，提高对中性和稳定性。

所述上端被测试样19和下端被测试样23位于下保温桶21内，其中下端被测试样23位于上端被测试样19下方；所述上端被测试样19和下端被测试样23为圆柱形结构，各加工一排4个用于安装测温热电偶的孔道20和孔道24，测试时试样19和试样23保持对中，尽量使孔道20和孔道24位于同一直线上。

所述下保温桶21采用对开式结构，外壁为耐高温金属材料，，夹层填充保温隔热材料，减小热量横向传输；下保温桶21上预留一排8个用于安装测温热电偶的孔道22，孔道具体位置应与孔道20和孔道24的位置一一对应。

所述下加载台25为耐高温金属材料，结构和尺寸和下加载台11完全一样，两者可以互换，也确保下测试系统整体可以和上测试系统调换使用或单独使用；下加载台25下端的环状凸起结构用于装配时与下支撑台26稳固连接。

所述下支撑台26为耐高温金属材料制成，上端面设置环状凹槽27，与下加载台25上的环状凸起结构匹配，使下支撑台26与下加载台25工作时能稳固连接；下支撑台26设有贯通的冷却水通道28，用于支撑台的冷却，防止热量传递给试验机；下支撑台26下端设有柱状凹槽29，凹槽内径与加载用的试验机压缩夹具(盘状结构)外径匹配，可以使压缩夹具卡入凹槽内，确保测试过程连接牢固。

进一步的，所述界面接触热阻高效测试装置中的上加载杆1、试样5、试样7、保温桶9、下加载台11、上加载台15、试样19、下保温桶21、试样23、下加载台25和下支撑台26主体都为旋转体结构。

一种高温条件下的界面接触热阻高效测试方法，包括以下内容：

首先，利用前述装置，将加工好的4个标准试样两个一组(视为试样5、试样7、试样19和试样23)，分别放置在上保温桶9和下保温桶21内，放置时确保对中；

其次，将16个热电偶穿过安装孔10和22再安装到试样上的安装孔6、安装孔8、安装孔20和安装孔24内。

再次，将加热单元14放置于下加载台11内，通电加热至设定温度进行保温；通过安装于试样内的热电偶测量出试样内对应点的温度，当测量值稳定后将温度值记录备用；

最后，基于傅里叶传热定律将得到的温度数据进行线性拟合，根据拟合公式分别得到试样5和试样7、试样19和试样23在交界面处的温度值，得到界面两侧的温度差△T，从而计算出界面热阻R_c＝△T/q，其中q为流经界面处的平均热流密度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)采用上下两个测试模块，可以同时进行两组试样的测试，效率提高，成本降低。

2)加热单元处于上下测试模块中间，上下两个方向都为测试方向，在被测试样品末端温度已大幅降低，无需采取专门的隔热措施，简化了结构，也无须担心高压力会对隔热单元产生损坏。

3)上加载杆和下支撑台均设有冷却水通道，上下两端为了保护加载单元的冷却单元远离加热单元，且温度经过测试样品后已大幅降低，所以冷却单元对系统整体升温效率的影响大幅减小，从而降低了高温测试时达到设定温度时所需的时长，提高了测试效率。

4)高压力条件下试样需要承受很大的轴向压力，整体有失稳的风险，本发明通过在加载杆和加载台的端面设计出专门的凹槽结构，为被测试样提供更好的横向约束，提高被测试样的对中性和稳定性，有效防止试件测试时失稳。

5)通过对上下测试单元各部件进行标准模块化设计，使上下测试模块可以整体调换使用，也可单独使用，而且上下测试系统中的部件也能相互替换，提高了测试系统使用的灵活性和便利性。

6)本发明提供的装置具有良好的可扩展性和可调整性，如在考察表面压力的影响时，可使上下测试模块中的试样直径不同，便能同时考察两种压力的影响，而为了解决直径变化与加载杆或加载台凹槽尺寸不匹配的问题，则只需添加一个定位环即可，调整极为方便。

附图说明

图1为测试系统整体剖面图。

图中：1为上加载杆杆，2为螺纹连接杆，3为冷却水通道，4为用于定位试样的环状凸起结构；5为上测试系统中的上端被测试样，6为试样上的热电偶安装孔；7为上测试系统中的下端被测试样，8为试样上的热电偶安装孔；9为上测试单元中的上保温桶，10为保温桶上热电偶安装孔；11为上测试单元中的下加载台，12为下加载台11上用于定位试样的环状凸起结构，13为下加载台11上用于与下测试单元或试验机压缩夹具连接用的环状凸起结构；14为下加热单元；15为下测试单元中的上加载台，16为上加载台15上与下加载台11上的凸起结构13相匹配的环状凹槽，17为上加载台15上与上加载杆1上的凸起结构4相匹配的凹槽，18为上加载台15下端靠近试样一侧加工出的环状凸起结构；19为下测试单元中的上端被测试样，20为试样上的热电偶安装孔；21为下保温桶，22为保温桶上的热电偶安装孔；23为下测试单元中的下端被测试样，24为试样上的热电偶安装孔；25为下测试单元中的下加载台，与11完全相同；26为整个测试单元的下支撑台，27为上端面设置的环状凹槽，28为贯通的冷却水通道，29为用于与加载试验机压缩夹具匹配的凹槽。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。

实施例1：如图所示，本发明提供了一种界面接触热阻高效测试装置，包括上下两个测试模块，上加载台1上端通过螺旋杆2与试验机加载单元连接，下端通过加工的环形凸起结构4与试样5稳固连接。上下两测试模块中各设置两个圆柱形试样，即上测试模块内的试样5和试样7以及下测试模块内的试样19和试样23。试样7放置在加工有环形凸起结构12下加载台11上，下载加载台11底部内腔中设置加热单元14，测试试样外设置保温桶9和保温桶21，夹层填充保温隔热材料，减小热量横向传输。下测试模块与上测试模块基本结构相同，整个上、下测试模块放置于下支撑台26上，下支撑台26通过柱状凹槽29与试验机压缩夹具相匹配连接。上加载杆1和下支撑台26分别设置冷却水通道3和冷却水通道28，防止热量传递给试验机。

利用前述装置，将加工好的4个标准试样两个一组(视为试样5、试样7、试样19和试样23)，分别放置在上保温桶9和下保温桶21内，试样与加载承载装置接触的端面要放置在加工的环形凸起结构内，以确保其对中性和稳固性；将16个热电偶穿过安装孔10和22再安装到试样上的安装孔6、安装孔8、安装孔20和安装孔24内，安装时尽量使测试点保持在同一条直线上。加热单元放置于下加载台11内，通电加热至设定温度并进行保温；通过安装于试样内的热电偶测量出试样内对应点的温度，等待测量值稳定后将温度值记录备用，分别记为t₁、t₂、t₃、t₄……t₁₆；基于傅里叶传热定律将得到的温度数据进行线性拟合，分别得到试样5、试样7、试样19、试样23的轴向温度分布拟合公式，再根据拟合公式分别得到试样5和试样7、试样19和试样23在交界面处的温度值，从而得到试样5和试样7接触界面两侧的温度差△T₁以及试样19和试样23接触界面两侧的温度差△T₂，进一步通过界面热阻计算公式R_c＝△T/q分别计算出两组试样接触界面热阻R_c1和R_c2，其中q为流经界面处的平均热流密度。

实施例2：与实施例1不同之处在于：该例单独使用本测试装置的上测试模块进行一组试样界面接触热阻的测试。本发明对上下测试单元各部件进行标准模块化设计，上下测试模块可以单独使用，若要实现一组试样界面接触热阻的测试，仅取出下保温桶内的两个试样，其余安装方式和测试步骤与实施例1相同，从而单独使用上测试模块测试一组式样的界面接触热阻。

实施例3：与实施例1和实施例2不同之处在于：该例单独使用本测试装置的下测试模块进行一组试样界面接触热阻的测试。该例不使用上测试模块，即在装置安装过程中不安装上保温桶9、下加载台11以及试样5和试样7，直接将上加载杆1与上加载台15通过环形凸起结构4和环形凹槽16连接，将加热单元放置于下加载台25的内腔中，测试步骤与实施例1相同，从而单独使用下测试模块测试一组式样的界面接触热阻。

本发明实施例仅用于说明并解释本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置，其特征在于，所述的高效测试装置包括上下两个测试模块，上、下测试模块组合后，放置于下支撑台上，采用上下两个测试模块，可以同时进行两组试样的测试；

所述上测试模块包括上加载杆、两个试样、上保温桶、下加载台和加热单元，其中上加载杆与下加载台之间放置两个试样；所述下测试模块由上加载台、两个试样、下保温桶、下加载台，其中上加载台、下加载台之间放置两个试样；

所述的上加载杆上端通过螺纹连接杆与试验机加载单元相连，将试验机施加的载荷传递至试样端面；所述的上、下两个保温桶包裹在各模块的试样外侧，为测试装置保温，上下测试模块的两组试样均为圆柱型结构，测试时互相保持对中；

所述的上下测试模块的两组试样中，每个试样上各加工一排多个用于安装测温热电偶的孔道，测试时使各试样孔道位于同一直线；

所述的上下保温桶均采用对开式结构，外壁为耐高温金属材料，夹层填充保温隔热材料；每个保温桶上均预留一排多个用于安装测温热电偶的孔道，孔道具体位置应与试样孔道的位置一一对应；

所述上测试模块的下加载台顶部放置试样，下加载台底部加工出用于放置加热单元的内腔，且与下测试模块中的上加载台相连；加热单元处于上下测试模块中间，上下两个方向都为测试方向；

所述下测试模块端底部与下支撑台连接，下支撑台的上端支撑整个测试装置，下支撑台的下端与试验机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置，其特征在于，所述的各加载台与下支撑台均使用耐高温金属材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置，其特征在于，所述的上加载杆和下支撑台上均设有冷却水通道，冷却单元远离加热单元。

4.根据权利要求1所述的一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置，其特征在于，所述的上加载杆和各加载台的端面外缘加工出环形凸起结构，形成圆柱形凹槽，为被测试样提供横向约束，提高被测试样的对中性和稳定性。

5.根据权利要求1所述的一种高温条件下的界面接触热阻高效测试装置，其特征在于，所述的上下两个测试模块中的各部件进行标准模块化设计，使上下测试模块可以整体调换使用，也可单独使用，且上下测试系统中的部件也能相互替换。

6.一种基于权利要求1～5中任一项所述的界面接触热阻高效测试装置进行界面接触热阻测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，基于界面接触热阻高效测试装置，将加工好的4个标准试样两个一组，分别放置在上保温桶和下保温桶内，放置时确保对中；

其次，将热电偶穿过上、下保温桶上的安装孔，再安装到对应的试样上的安装孔内；

再次，将加热单元放置于上测试模块的下加载台底部内腔中，通电加热至设定温度进行保温；通过安装于试样内的热电偶测量出试样内对应点的温度，当测量值稳定后将温度值记录备用；

最后，基于傅里叶传热定律将得到的温度数据进行线性拟合，根据拟合公式分别得到两对试样在交界面处的温度值，得到界面两侧的温度差△T，从而计算出界面热阻R_c＝△T/q，其中q为流经界面处的平均热流密度。