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空间相机接触热阻的计算黄涛;吴清文;梁九生;余飞;黎明【摘要】为了解决空间相机接触热阻难以确定的问题,从接触面传导和辐射换热的角度考虑,给出了其接触热阻的计算方法.根据空间相机的材料,加工、装配及其特殊运行环境,得到一个合理的接触系数范围.以空间相机的正视相机为例,对其结构进行合理的简化,利用I-DEAS/TMG热分析模块建立有限元模型,仿真计算了低温稳态平衡工况,考察了热阻波动对温度分布的影响.正视相机热分析计算结果和热环境模拟实验数据较为吻合,最大偏差为0.45℃.研究结果表明,该接触热阻汁算方法合理,可以预测太空环境中干接触的精密加工表面间的接触热阻.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2009(002)004【总页数】6页(P334-339)【关键词】空间相机;热仿真;接触热阻;模拟实验【作者】黄涛;吴清文;梁九生;余飞;黎明【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春130033;中国科学院,研究生院,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春130033;中国科学院,研究生院,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春130033;中国科学院,研究生院,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春130033;中国科学院,研究生院,北京100039【正文语种】中文【中图分类】V447.3自从前苏联科学家Kapit研究低温下液氮和固体表面间的热阻以来，人们已对固体表面间的接触热阻进行了广泛的研究［1，2］。
当热流通过固体接触面时，会受到一个由于接触而引起的附加阻力，即接触热阻，接触热阻一般通过实验测定温度和热流量间接获得。
鉴于实验测量的局限性，人们一直在探求易于使用的理论方法或半经验公式［3］。
在理论研究中，对接触热阻的宏观研究比较多，如研究温度、接触压力、接触表面粗糙度、热流方向、分热阻等对接触热阻的影响［4，5］，其中基于粗糙度理论的接触热阻计算方法得到了广泛的认可［6］。
接触热阻
定义
复合系统中，在不同材料的交界面上，普遍认为接触面两侧保持同一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。
然而，实际上，两个表面上的温度是不相同的，也就是说存在着温度降。
这个温度降是因为存在着接触热阻的结果。
对于单位面积的交界面，接触热阻可以定义如下：
文字表述为：接触热阻等于两个交界表面温度之差除以热流密度。
接触热阻单位是：
产生原因
交界面上接触热阻的存在主要是由于表面粗糙度的影响。
接触部位之间普遍存在着空隙，在多数工程实践中，间隙中充满着空气。
因此传热是借通过接触间隙的传导和/或者辐射、对流实现的。
接触热阻可以看作是两个并联的热阻：1，来自于接触面积部位产生；2，由间隙产生。
接触面积通常很小，特别是粗糙的表面，其主要作用的是间隙所产生的热阻。
文章编号 :167226987 (2009) 0420353204稳态法导热系数测量仪的设计改进段占立 , 马连湘 3( 青岛科技大学 机电工程学院 , 山东 青岛 266061)摘 要 : 根据稳态法测量导热系数原理 ,改进了稳态法导热系数测量仪 (导热仪) 的设计 , 利用单片机控制技术实现了实验过程的可控性 。
以方型和圆型橡胶试样测量其导热系 数 ,并将实验数据与利用耐驰公司导热仪 (L FA 447) 在相同条件下测量的数据进行比对 。
结果表明 ,在测量温度小于 60 ℃的情况下 ,耐驰公司导热仪的测量误差小于 1 % ,改进导 热仪测量误差小于 21 58 % 。
关键词 : 导热系数测量仪 ; 单片机控制技术 ; 稳态法测量 中图分类号 : T K 311 ; T H 811文献标识码 : AThe Design and Improvement of the Therm al Conduct i vity Mea s urement Instrument B a sed on Stea dy 2state Met h odD UA N Z han 2l i , MA L i an 2xiang( College of Elect ro mecha n ical Engi neeri ng , Qi ngdao U ni ver s it y of Sci ence a nd Technolo gy , Qi ngdao 266061 ,Chi na )Abstract : The t h e r mal co n ductivit y mea s ure m e n t i n s t r u me n t wa s de s i g ne d a n d i mp ro v ed acco r d i n g to t h e p r i n cip l e of t h e st e a d y 2st a t e t e ch n ique . The mea s uri n g accuracy a n d co n ve n ie n ce were e n h a n ced beca u s e t h e M CU ( Microchip unit ) co n t rolli n g t e ch n olo g y wa s utilized to realize t h e co n t r ollabilit y of t h e ex perimental p r ocess. The t h erm al co n ductivit y of t h e ci rcula r a n d t h e rect a n gle sa m p l e s wa s mea s ured a n d co m p a r ed wit h t h e e xp e r i 2 me n t a l dat a mea s ure d by t h e app a r at u s of t h e t h e r mal co n ductivit y ( L FA 447 ) ma d e by N E T C H C o mp a n y i n G er ma n y under t h e sa me e xp e r i me n t a l co n ditio n s . The re s ult s i n dicat e t h at t h e app a r at u s i s a b le to mea s ure t h e r mal co n ductivit y a n d t h e er ro r of t h e app a r at u s ma d e by N E T C H C o mp a n y a n d t h e i mp ro v e d app a r at u s i s le s s t h a n 1 % a n d 21 58 % , re s p e ctivel y , w h e n t h e mea s ured t e m p e rat u re i s le s s t h a n 60 ℃。
闪光导热仪LFA原理与测试一、概述材料的导热性能测试方法众多，大体可分为稳态法与瞬态法两大类。
其中稳态法（包括热流法、保护热流法、热板法等）根据Fourier方程直接测量导热系数，但温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。
瞬态法则应用范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中发展最快、最具代表性、得到国际热物理学界普遍承认的方法是闪光法（Flash Method，有时也称为激光法，激光闪射法）。
闪光法所要求的样品尺寸较小，测量范围宽广，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，特别适合于中高导热系数材料的测量。
除常规的固体片状材料测试外，通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热传导性能。
闪光法相关测量标准：ASTM E1461：Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash MethodDIN EN821DIN30905二、原理闪光法直接测量的是材料的热扩散系数，其基本原理示意如下：图中在一定的设定温度T（由炉体控制的恒温条件）下，由激光源或闪光氙灯在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。
使用红外检测器连续测量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到类似于下图的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线：在理想情况下，光脉冲宽度接近于无限小，热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流，外部测量环境则为理想的绝热条件、不存在热损耗（此时样品上表面温度升高至图中的顶点后将保持恒定的水平线），则通过计量图中所示的半升温时间t50（定义为在接受光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到最大值的一半所需的时间，或称t1/2），由下式：α=0.1388*d2/t50（d:样品的厚度）即可得到样品在温度T下的热扩散系数α。
LFA447 比热与导热系数计算方法1.在Nanoflash 测试程序中使用相同的温度程序分别对标准（参比）样品与待测样品进行测试。
测试注意点：a. 样品与参比的表面形状与尺寸原则上尽量一致。
b. 样品与参比的厚度尽量接近。
c 样品与参比在热物性、特别是热扩散系数方面相差不太大。
d. 样品表面光滑。
e. 为保证样品与参比表面的光学特性一致，通常建议对样品与参比同时进行石墨喷覆（正反面均需喷覆）f. 样品与参比放入支架后，加上相同规格的遮光片（进一步确保两者采样面积的一致）2. 打开LFA Proteus 分析软件，在数据库管理窗口中使用“数据库”菜单下的“导入LFA447文件”功能，依次导入参比与样品的测量数据。
这里需要注意的是导入参比数据时需要链接相关的标准比热表。
即在出现下图所示的对话框时点击“对应表…”：在其后出现的对话框中选择“增加” “从标准文件…”随后出现如下界面，选择参比所对应的标准比热表。
打开文件后出现如下界面，点击“保存”：出现如下对话框，在新链接的比热表左侧打勾（原先默认的比热表可以删除），点击“关闭”：再在“材料定义”对话框中点击“完成”，即完成数据的导入工作。
3. 使用数据库管理窗口的“载入分析窗口”功能，分别将参比与样品的原始数据装载到同一分析窗口中。
如下图所示。
若样品尚未进行计算，在载入过程中软件会提示选择模型进行计算。
此时选择合适的模型，进行计算即可。
（详见《LFA数据分析向导》）4. 点击“测量”菜单下的“计算比热”, 在出现的“选择用于比热计算的测量”对话框中将已知比热值的标准样品选为“参比”，未知样品选为“样品”：点击“确定”，计算得到的样品比热值即出现在分析窗口中：选中任一比热数据点，点击“工具”菜单中的“保存比热表从”,右侧会出现两个选项：其中“原始平均值”是将原始的计算平均值导出为比热表。
“拟合曲线数值”是将拟合曲线的结果导出为比热表（曲线拟合详见《LFA数据分析向导》），相比原始值而言多了一层类似于“平滑”的滤除扰动与误差的作用。
附录一建筑热工设计计算公式及参数(一)热阻的计算1.单一材料层的热阻应按下式计算：式中R——材料层的热阻，㎡·K/W；δ——材料层的厚度，m；λc——材料的计算导热系数，W/(m·K)，按附录三附表3.1及表注的规定采用。
2.多层围护结构的热阻应按下列公式计算：R＝R1＋R2＋……＋Rn(1.2)式中R1、R2……Rn——各材料层的热阻，㎡·K/W。
3.由两种以上材料组成的、两向非均质围护结构（包括各种形式的空心砌块，以及填充保温材料的墙体等，但不包括多孔粘土空心砖），其平均热阻应按下式计算：(1.3)式中——平均热阻，㎡·K/W；Fo——与热流方向垂直的总传热面积，㎡；Fi——按平行于热流方向划分的各个传热面积，㎡；（参见图3.1）；Roi——各个传热面上的总热阻，㎡·K/WRi——内表面换热阻，通常取0.11㎡·K/W；Re——外表面换热阻，通常取0.04㎡·K/W；φ——修正系数，按本附录附表1.1采用。
图3.1 计算图式修正系数φ值附表1.1λ2/λ1或/λ1φ0.09～0.19 0.20～0.39 0.40～0.69 0.70～0.99 0.86 0.93 0.96 0.98注：(1)当围护结构由两种材料组成时，λ2应取较小值，λ1应取较大值，然后求得两者的比值。
(2)当围护结构由三种材料组成，或有两种厚度不同的空气间层时，φ值可按比值/λ1确定。
(3)当围护结构中存在圆孔时，应先将圆孔折算成同面积的方孔，然后再按上述规定计算。
4.围护结构总热阻应按下式计算：Ro＝Ri＋R＋Re(1.4)式中Ro——围护结构总热阻，㎡·K/W；Ri——内表面换热阻，㎡·K/W；按本附录附表1.2采用；Re——外表面换热阻，㎡·K/W，按本附录附表1.3采用；r——围护结构热阻，㎡·K/W。
内表面换热系数αi 及内表面换热阻Ri 值注：表中h 为肋高，ｓ为肋间净距。
激光导热分析仪LFA 427简介：对于材料或组分的热传导性能描述，导热系数与热扩散系数是最为重要的热物性参数。
激光闪射法是导热测试领域最为广泛使用的一种方法，用于精确测量材料的热扩散系数并计算导热系数。
而耐驰公司推出的激光导热仪 LFA 427 则代表了世界范围内同类产品的最高水平。
LFA 427 具有高精度、高重复性、测量快速、样品支架种类丰富、测试气氛可自由设定等突出优点，其总的测量温度范围为 -120℃-2800℃。
LFA 427 最新推出带高温计的特别配置版，可在室温至 2800℃的宽广温度范围内进行测量。
LFA 427 的样品适应面极广，包括陶瓷、玻璃、金属、熔融物、液体、粉末、纤维与多层材料等各种材料，从低导热材料直至最高导热系数的金刚石，都可在相同的速度与精度下进行测量。
仪器直接测试的是随温度而变的热扩散系数，若结合比热值（通常使用DSC 404 F1 Pegasus®进行测试，也可在 LFA 427 上使用比较法测得）与密度（密度随温度的变化使用热膨胀仪 DIL 402 C 测量计算），则可进一步计算导热系数。
测量所使用的激光能量、脉冲宽度、气氛与真空均可自由选择，可以针对不同的样品性质设定最佳的测量条件。
本仪器拥有完全密封的系统，设计上注重节省空间，其安全等级达到了最高级(1级)，操作时不需要任何特殊的安全措施。
软件功能先进，允许仪器工作于手动或全自动模式。
并提供特殊支架，用于测试粉末，液体，矿渣，纤维和夹层样品。
LFA 427 是最强大与灵活的 LFA 系统，适用于包括汽车制造、航空航天与能源技术在内的各种领域的常规材料与新型高性能材料的表征。
LFA 427 - 技术参数•温度范围：-120—400℃, RT ... 1300℃, RT ... 1500℃, RT ... 2000℃/2800℃（四种可选的炉体类型）•升降温速率：0.01-50 K/min（取决于相应炉体）•激光能量：20 J/pulse（功率与脉冲宽度可调）•使用红外检测器，进行非接触式的样品表面温升信号测试•热扩散系数范围：0.01-1000 mm2/s•导热系数范围：0.1—2000 W/m*K•样品直径：6—12.7 mm（另可选 20 mm 特殊规格）•样品厚度：0.1—6 mm•样品支架：氧化铝，石墨•熔融金属容器：蓝宝石•液体样品容器：铂金•气氛：惰性，氧化，还原，静态，动态•高真空密闭系统，真空度 10-5mbar用于片状固体样品测试的标准样品支架LFA 427 - 软件功能LFA 427 的测量与分析软件是基于MicroSoft Windows® 系统的Proteus® 软件包，它包含了所有必要的测量功能和数据分析功能。
