[科普中國]-微尺度傳熱

微尺度傳熱產(chǎn)生的背景及發(fā)展

早期的微尺度傳熱學研究主要集中在導熱問題上，之后則擴展到輻射和對流問題2。關于微尺度下熱導率依賴于材料厚度的認識追溯到20世紀30年代，且最早是由物理學家認識到的：20世紀60年代后期，熱物理學家(其中尤以美國加州大學的舊反霖教授為代表)開始注意到一系列工程器件中的傳熱問題的尺寸效應，于是微尺度傳熱學俏然興起，特別到80年代后期進展更為迅速。因此，對于所有微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的設計及應用來說，全面了解系統(tǒng)在特定尺度內(nèi)的微機電性質(zhì)及材料的熱物性、熱行為等已經(jīng)成為邊在眉睫的任務；于是現(xiàn)代熱科學中的一門嶄新學科——微米/納米尺度傳熱學應運而生。1997 年國際傳熱傳質(zhì)中心首次召開了微傳熱的國際會議,成為微尺度傳熱這一學科正式建立的標志3。

其原因可以分為兩大類一類是連續(xù)介質(zhì)的假定不再適用,另一類則是各種作用力的相對重要性發(fā)生了變化所需研究的挑戰(zhàn)性問題有, 導熱系數(shù)的尺度效應、導熱的波動現(xiàn)象, 微小通道中流動和傳熱, 流動壓縮性和界面效應等的影響, 微細尺度下的輻射和相變等。

目前大部分的文章探討了激光脈沖加熱的金屬薄膜,或是對半導體等薄膜材料的研究和集中于某種材料的制備方法和應用的研究,如若對非金屬薄膜材料的傳熱機理加以研究, 將使體積和重量不斷減少的半導體微尺度器件促成一些新的工程應用, 開辟新的市場,并為有關基礎探索提供了嶄新的研究手段4。

微尺度傳熱的特點微細尺度傳熱學是近些年形成的一個新的學科分支，主要研究空間尺度和時間尺度微細情況下的傳熱學規(guī)律1。當尺度微細化后，其動和傳熱的規(guī)律已明顯不同于常規(guī)尺度條件下的流動和傳熱現(xiàn)象，換言之，當研究對象微細到一定程度以后 ,出現(xiàn)了流動和傳熱的尺度效應?！拔⒓殹敝皇且粋€相對的概念 ,而不是指某一特定尺度。不同的場合會有不同的定義。所謂“微尺度”并沒有嚴格的界定,只是一個相對大小的概念，它不僅包括空間尺度，還包括時間尺度。隨著研究對象的不同,出現(xiàn)微尺度效應的時空尺度范圍也不相同。通常所指的空間微尺度是跨越微米到原子尺度的寬廣范圍:

- 微米- 亞微米- 納米- 團簇- 原子-

其中微米范圍的上限是在100μm 以下,而亞微米通常定義為0. 1μm 以下至nm 之間。團簇一般定義為尺度為1nm 以下的原子聚合體,由幾個到幾百個原子構(gòu)成。在亞微米和團簇之間的1nm～100nm 范圍是納米體系所在處。目前集成電路的特征線條尺寸已進入納米范圍。通常所說的時間微尺度的范圍是:

- ns (10 - 9s) – ps ( 10 - 12s) -fs (10 - 15s) -

其中ns 是目前數(shù)字系統(tǒng)如計算機的時鐘脈沖寬度的量級。

與常規(guī)尺度的流動和傳熱比較

微尺度的流動和傳熱與常規(guī)尺度的流動和傳熱的不同的原因：

（1）當物體的特征尺寸縮小至與載體粒子的平均自由程同一量級時，基于連續(xù)介質(zhì)概念的一些宏觀概念和規(guī)律就不再適用，粘性系數(shù)、導熱系數(shù)等概念要重新討論 , N-S方程和導熱方程等也不再適用。

（2）物體的特征尺寸遠大于載體粒子的平均自由程，即連續(xù)介質(zhì)的假定仍能成立,但是由于尺度的微細,使原來的各種影響因數(shù)的相對重要性發(fā)生了變化,從而導致流動和傳熱規(guī)律的變化5。

微尺度導熱導熱系數(shù)的尺度效應導熱系數(shù)的尺度效應的物理機制來自于兩個方面：一是與導熱問題中的特征長度有關；另一方面導熱能力與材料中晶粒大小有關，當尺寸減小時，晶粒尺寸會隨之減小，由于晶粒界面增大，所以輸運能力減弱，導熱系數(shù)降低2。

導熱的波動效應研究導熱問題時，最常用的是傅立葉定律，即熱流與溫度梯度成正比，然而 ,在研究快速瞬態(tài)導熱時,發(fā)現(xiàn)傅立葉定律不再適用，此時熱量溫度傳播是以波動方式傳播，這與基于傅立葉定律的拋物型導熱方程所闡述的的能量傳遞方式有很大不同。

導熱的輻射效應電子器件和電子封裝中的介電薄膜材料的導熱行為可能產(chǎn)生異常情況，當膜厚很小時，可以用輻射傳遞問題來分析和討論晶格振動。

微尺度流動和對流換熱（1）流動阻力規(guī)律與常規(guī)尺寸條件下的不同1。

（2）充分發(fā)展通道流的阻力因子與雷諾數(shù)的乘積不再是常數(shù)，而應是雷諾數(shù)的函數(shù)。

（3）微細通道湍流的 Nu比常規(guī)情況高

（4）微細通道流傳熱數(shù)據(jù)很分散

（5）微細通道層流向湍流過渡的雷諾數(shù)減小

影響微細流動與傳熱現(xiàn)象的某些因素：

（1）流體的壓縮性

由于微細通道內(nèi)壓力降很大，導致流體密度沿程有明顯的變化，所以必須考慮流體的壓縮性，它不僅會形成加速壓降，而且還將改變速度剖面。

（2）界面效應

在微細管道中液體表面張力將起更為重要的影響，此外，由于固壁有時帶靜電,液體可以有極性 ，靜電場的存在會阻礙液體中離子的運動，從而使液體流動阻力增加，同時對微細管道中傳熱也會有重要影響。

（3）氣體稀薄效應

當努曾數(shù)kn《1，連續(xù)介質(zhì)區(qū)；0.01