调制光热法低温接触界面层热阻研究

　　1　引　言

　　设计和制造航空航天器、大规模集成芯片、超导冷却系统时,需要解决接触热传导问题。如在卫星蒙皮与本体间需要高热阻来阻止卫星内外的热交换,而在低温探测器上又需要良好的接触热传导保证探测器需要的低温。界面热导(或者它的逆问题热阻)从微观结构上是厚度很薄的界面层^[1] 。由此,称接触热阻为接触界面层热阻。

　　研究接触界面层热阻常用稳态法。用这种方法,一是需要大尺寸样品来布置热传感器,二是影响接触界面层热阻内部传热机制的微弱信号不容易检出。调制光热测量作为瞬态测量方法已经用在很多领域,它具有非接触性,可以检出微小信号[2~4],但这种方法在低温微结构接触界面层热阻的应用基本未见报道。探索用这种方法测量低温接触界面层热阻,将对深入研究低温接触界面层热阻,揭示接触界面层传热机理,具有重要意义。

　　2　理论模型

　　调制光热测量法是利用材料的光学反射率与温度的关系来获得材料热特性进而获得界面热阻的[5]。由调制激光加热样品的一个表面产生热波,热波通过界面层时其波的行为(幅值、相位)将发生变化,利用探测激光照射样品另一面,来获取材料温度(携带了界面层信息的热波)的变化引起的反射率变化,再通过光电二极管检测探测激光反射光线的强度,向锁相放大器输入检测信号并检测相位差和振幅信号。测量原理见图1。

式中,k ₁,k ₂是两样品的热导率, b ₁, b ₂是两样品的厚度,h为界面热导,Q为样品表面吸收的加热激光的热流,ω为加热激光的调制角频率,α为光斑直径。解上述方程,当样品厚度(L)大于热扩散长度(D=)时(处于热厚区),单个样品以及样品对的相位与调制频率间的关系为:

　　从式(7)中可知界面热阻与材料的热物性有关,同时跟测量光信号的调制频率有关,在选定材料后,接触界面热阻是调制频率的函数。

　　3　实验测量系统

　　3. 1　实验样品

　　实验样品选取铜、不锈钢等空间、低温技术中常用金属材料。铜样品的厚度为0. 652 mm,不锈钢样品的厚度为0. 45 mm。为了较好地测量界面层热阻和检测光信号,对样品表面进行了处理。首先对表面进行机械研磨,使之成为光学平面,这样可以尽量减少其它因素对界面热阻的影响。然后,在加热激光照射面,用真空磁溅射镀48 nm的碳膜,该厚度的碳膜层对加热激光的调制相位的影响可以忽略,同时增加了对加热激光的吸收。在探测激光照射面为增加对探测激光的反射,在其表面上用激光镀膜法镀0. 5μm的金膜。