微尺度传热及其研究进展

微尺度传热及其研究进展•微尺度传热定义•微尺度传热产生背景•微尺度传热形成原因•微尺度传热研究内容及进展微尺度传热定义微细尺度传热研究空间尺度和时间尺度微细情况下的传热学规律高集成度高运行速度热流密度大60-100w/cm2温度敏感性电子器件（器件温度在7o0oC至800oC水平上每增加10oC,其可靠性将下降5%）微尺度传热产生背景随着信息工业、生命科学与技术、航天技术、能源工程、材料工业及现代毫微米制造技术、高集成度微电子器件、高功率短脉冲激光器、微加工技术和微电子机械系统（MEMS)在工程上的应用,人工合成高精尖新材料、超导技术等都有惊人的进展。由于它们的特征尺度与载热体(分子、电子、声子、光子)等的平均自由程处于同一量级甚至更低,导热的Fourier定律、流动的N一S方程已不再适用,微结构表面的辐射性质亦出现奇特的变化,已经不能的效地用传统的传热传质理论及传统的实验方法加以解决,导致了热现象由宏观研究到微观研究的历史性转变,促使微细尺度传热学这一学科的出现和形成。•空间尺度极限：其研究的几何尺度可以到微米或毫微米级;•时间尺度极限：即在微秒以至毫微秒内瞬时传热规律的研究.微尺度传热产生背景微尺度传热形成原因①当物体的特征尺度缩小至与载体粒子〔分子、原子、电子、光子等〕的平均自由程同一量级或者过程延续的时间达到微秒以至毫微秒量级时,基于连续介质假设而建立的许多宏观概念和规律就不再适用,如粘性系数、导热系数等概念需要重新定义,N一S方程和Fourier导热方程等也不再适用。②物体的特征尺度远大于载体粒子的平均自由程,即连续介质的假定仍能成立,但是由于尺度的微细,使原来的各种影响因素的相对重要性发生了变化,从而导致流动和传热规律的变化。微尺度传热研究内容及进展•微细尺度导热•微细尺度流动和对流换热•微细尺度热辐射•维系尺度相变传热微细尺度导热1.导热系数的尺度效应现有实验和理论研究表明,当物体尺寸减小，例如薄膜的厚度小到一定程度时，其导热系数将随膜厚的减小而降低,有的甚至可降低1~2个数量级。100K下硅薄膜法向导热系数随薄膜厚度的变化①特征长度L：设λ是粒子的平均自由程，λc为载热粒子波长。导热系数的尺度效应原因Lλ傅里叶定律适用，宏观区Lλ傅里叶定律不适用，微观1区Lλc必须考虑量子效应，微观2区②晶粒大小：随着尺寸减小，工艺方面的因素，晶粒随之减小，晶粒界面变大，其运输能力减弱，导热系数降低2.导热的波动效应研究导热问题时,最常用的傅立叶定律,即热流与温度梯度成正比,然而,快速瞬态导热时,发现傅立叶定律不再适用,于是建立了热流滞后于温度梯度的C-V模型。微细尺度导热Г称之为松弛时间.的物理意义是热流随时间的变化对温度变化的影响由于在一般情况下松弛时间Г的值很小（Г为10-10s~10-14s)，方程退化为傅里叶定律•(l)微细通道流动阻力规律与常规尺寸条件下不同,不同作者的实验数据不仅在定量上,而且在定性上互相矛盾(有的认为微细通道中流动阻力大,有的则认为微细通道中流动阻力小)。•(2)充分发展通道流的f·R≠const。认为阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数,它应是雷诺数的函数。•(3)微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小,其过渡雷诺数Re可为300~1000.•(4)微细通道流传热数据很分散,充分发展的通道流的Nu≠const且是雷诺数的函数.•(5)微细通道湍流的Nu比常规情况高5~7倍.微细尺度流动和对流换热微细尺度对流换热影响因素1.气体压缩性影响由于微细通道内压力降很大,导致流体密度沿程有明显的变化,所以必须考虑流体的压缩性,它不仅会形成加速压降,而且还将改变速度剖面.也就是说即使管子长度与管径比很大，流场和温度场也不会充分发展,它将使阻力有明显的增加和导致传热的强化。2.界面效应在微细管道中液体表面张力将起更为重要的影响，当反映重力与表面张力之比的Bond数小于2时,表面张力起主导作用。其中σ是表面张力.此时,管道为毫米量级时,重力即可忽略。由于固壁有时带静电,液体可以有极性,静电场的存在会阻碍液体中离子的运动,从而使液体流动阻力增加，同时对微细管道中传热也会有重要影响。微细尺度对流换热影响因素3.气体稀薄效应通常用克努曾数来表示气体稀薄的程度微细尺度对流换热影响因素当Kn1,连续介质区；Kn1,自由分子流区；0.01Kn0.1,滑流区；0.1Kn1,过渡区气体的稀薄性一般导致气体流动阻力降低和换热减弱。THEEND