[科普中國]-卡皮查熱阻

介紹

界面熱阻的想法早在1936年就已經(jīng)提出，在那之前，人們通常認(rèn)為接觸熱阻很小，并不考慮。Keesom等人在1936年提出，接觸界面的熱阻有可能會(huì)非常大，但是沒有仔細(xì)研究。在1941年，Kapitza 發(fā)表了他關(guān)于固體和液氦接觸界面上存在溫度降的實(shí)驗(yàn)研究，也因此，界面熱阻又命名為Kapitza熱阻1。

原理界面熱阻產(chǎn)生的主要原因是由于處于接觸的兩種物質(zhì)的電子特性以及振動(dòng)特性不相同。當(dāng)載熱子（聲子或者電子，視物質(zhì)特性而定）試圖穿過接觸界面時(shí)，會(huì)發(fā)生散射。散射后的載熱子的運(yùn)動(dòng)情況就完全取決于接觸界面物質(zhì)可用的能量狀態(tài)。

假設(shè)穿過界面熱流恒定，界面熱阻會(huì)導(dǎo)致接觸界面的溫度降，根據(jù)傅立葉定律，有以下表達(dá)式：

Q : 接觸界面的熱流密度 R : 界面熱阻 G: 熱導(dǎo)系數(shù)

對(duì)于固體和液氦之間，以及金屬和電介質(zhì)之間及兩電介質(zhì)之間（緊密接觸情況下）的界面來說，它們之間的熱導(dǎo)主要靠聲子傳熱，聲子通過液氦到達(dá)固液界面時(shí)，發(fā)生反射或折射，遵守sinα1/sinαs=v1/vs，由于固體中的聲速vs比液體中聲速v1大得多，所以臨界角αlc就很小，即只有很小的立體角范圍內(nèi)的聲子有可能進(jìn)入固體，同時(shí)固體和液氦的密度相差很大，聲速相差也很大造成失匹配。

因此，只有能量小于10-5的一部分聲子可以進(jìn)入固體，所傳輸?shù)哪芰恳簿秃苄×?，在界面上傳輸能量的減小即出現(xiàn)了卡皮查熱阻。

公式在低普朗特準(zhǔn)則(Pr)物質(zhì)的 蒸汽與冷卻豎壁之間的膜狀凝結(jié)對(duì)流換熱計(jì)算中，所需計(jì)及的一項(xiàng)附加對(duì)流換熱熱阻。因此項(xiàng)熱阻產(chǎn)生于汽-液兩相分界面之上，故名界面熱阻。常用符號(hào) “Rp”表示，單位為“(m· ℃)/W”。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： Rp=(ts-ti) /q=Ra，t-Rλ，l。

式中，ts為蒸汽相應(yīng)壓力下的飽和溫度(℃)；ti為汽-液界面上的真實(shí)溫度 (℃)；q為膜狀凝結(jié)時(shí)的對(duì)流換熱熱流密度(W/m)；Ra，t為由蒸汽到冷卻壁面的總的對(duì)流換熱熱阻 [(m·℃)/W]；Rλ，l為由凝結(jié)液膜所構(gòu)成的導(dǎo)熱熱阻[(m·℃)/W]。

實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于低Pr介質(zhì)來說，總是存在界面熱阻，且隨著其值的增大，出現(xiàn)于汽-液界面上的 “溫度跳躍”現(xiàn)象也愈顯著，即界面上的真實(shí)溫度比飽和溫度低得愈多。2

作用卡皮查熱阻的大小和固體表面情況有關(guān)對(duì)表面機(jī)械損傷特別敏感。理解物質(zhì)之間的界面熱阻，對(duì)于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)尤為重要，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)今的電子器件中有非常多的接觸界面，這會(huì)影響電子器件的散熱。界面熱阻在納米尺度下更為重要，這是因?yàn)?，在納米尺度下，接觸界面更多也更復(fù)雜。