專利名稱：接觸熱阻測試方法及測試設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于測試技術領域，具體涉及一種接觸熱阻測試方法及設備，適用于在不 同溫度和加載應力范圍內進行接觸熱阻的測試，尤其具備高溫、高接觸應力條件下的接觸 熱阻測試條件。
背景技術：
當兩個物體表面相互接觸時，不論表面多么光滑，總存在微觀的不完全接觸點。物 體的接觸表面是由分散細小的接觸點組成的，這些接觸點之間被大的空隙隔離開，這些空 隙中可能是真空，也可能充滿導熱介質。因此，在接觸面處除了固有的熱阻之外，還存在額 外的傳熱阻力——接觸熱阻。接觸熱阻在很多工程應用中是一個重要的參數。現在接觸熱 阻的研究主要集中在理論分析和計算方法的研究方面，即通過建立數學模型，運用計算機 模擬的方式預測接觸熱阻，然后通過與文獻中的試驗數據進行比較，再判斷模型的可靠性。 目前的主要計算方法有有限元法、蒙特卡羅隨機點法、分子動力學法等。但這些方法參數 較多、誤差較大，在工程上并不實用。
發明內容
本發明為了解決現有技術中單純依托理論和模擬計算進行接觸熱阻測試存在的 問題，提供一種接觸熱阻工程試驗測試方法及其設備，所述的測試方法采用多根材料試樣 與一個熱流計形成一個軸向熱流通道，分別采集軸向熱流傳輸方向多測試點溫度，同時采 用多層隔熱材料和界面溫度補償技術降低熱量橫向散失現象對接觸熱阻測試的影響，根據 采集的測試點溫度實現接觸熱阻的測試。本發明提供的接觸熱阻測試方法通過如下步驟實現第一步，測試試樣和設備的準備。加工至少三個試樣，包括一個熱流計試樣和兩個測試試樣，將三個試樣豎直同軸 夾裝在底端加熱裝置和頂端應力加載裝置之間，所述的試樣上設置有熱電偶，熱電偶與數 據采集系統連接，用于測試試樣的軸向溫度。第二步，對試樣加熱，采集試樣測試點溫度。對試樣加熱，試樣溫度達到穩定后開始采集測試溫度。所述的測試溫度包括每個 試樣上的測試點的測試點溫度Ti, i = 1，……n，n為試樣上測試點數目。所述的測試點溫 度Ti通過在試樣上均布的測試點熱電偶進行采集。所述測試點熱電偶的探頭均布置在試 樣的中軸線上，保證測溫的準確性。例如試樣上測試點之間的距離滿足如下關系試樣長度為1，相鄰兩個測試點之 間的軸向距離相等，每個試樣上從下端面到上端面之間設置η個測試點，測試點之間的距 離為1/η，第一個測試點距離下端面的距離等于第η個測試點距離上端面的距離，并且兩個 距離之和等于相鄰兩個測試點之間的距離。熱電偶連接數據采集系統，當數據采集系統上計算機顯示試樣上每個測試點的溫度變化在0. 5°C以內時，即可認為溫度是穩定的。第三步，相鄰試樣在接觸界面處的平均溫度。將試樣上每一個測試點上的溫度進行采集和存儲，并通過計算機繪制測試點處的 溫度變化曲線。每兩個相鄰試樣上，距離接觸界面最近的兩個熱電偶的溫度為1；和1；+1，則每兩個 試樣接觸界面處的平均溫度Δ T'為ΔΓ = ^^_。第四步，根據平均溫度ΔΤ'對試樣接觸界面進行溫度補償。根據試樣接觸界面處的平均溫度調節補償加熱裝置的加熱溫度，使補償加熱器在 接觸界面處的徑向平面內加熱，保證接觸界面處一直維持ΔΤ'。第五步，通過外推溫度梯度確定相鄰試樣接觸界面處的溫度降ΔΤ AT = = 其中，1為試樣長度，η為每個試樣上測試點個數，從下到上將每個試樣上的測試 點順次編號，則Ι\、τη、τη+1、τ2η分別第一個被測試樣第1個、第η個測試點的溫度、第二個被 測試樣第η+1和第2η個測試點的溫度。第六步，根據所選熱流計來確定試樣的軸向熱流。忽略試樣的橫向熱流損失，以金屬銅作為熱流計，制備成與試樣同樣尺寸的熱流 計試樣，則軸向熱流為q = ^^ = Ir(Tx-Tn)Im其中λ τ為銅的熱導率； \、Τη為熱流計試樣上第一個測試點與第η個測試點的溫 度；m為熱流計試樣上第一個測試點與第η個測試點之間的距離。第七步，計算接觸熱導和接觸熱阻。根據第五步中的軸向熱流，得到試驗中的接觸熱導h。如下 根據每兩個試樣接觸界面處的溫度降Δ T計算接觸熱阻R。。所述的接觸熱阻Re為
D 1 ΔΓRc =~Γ =—
K q其中q為軸向熱流。根據試驗需要，可以調整加熱裝置的加熱溫度或應力加載裝置的加載應力，重復 第一步到第六步可以測試不同溫度和應力條件下的接觸熱阻。本發明的優點在于(1)本發明采用的加熱裝置中的加熱塊為高溫材料，應力加載裝置可以提供
5500MPa的界面接觸應力，因此本發明提供的設備能夠進行高溫、高接觸應力下的接觸熱阻 測試試驗，并且能夠連續按要求改變熱端溫度(彡1000°C )和調整加載應力(彡500MPa)。(2)通過可控硅調壓器控制加熱絲的功率控制熱端所需溫度，通過多層隔熱材料 和界面溫度補償避免橫向熱流損失，并采用冷卻裝置使得測試試樣的熱端和冷卻端形成極 大溫差，實現了熱流軸向的一維傳遞。(3)本發明提供的設備能夠對多通道的監測點溫度同時進行檢測和記錄，并進行 分析和統計，因而提高了工作效率，避免了循環記錄各通道所帶來的誤差。(4)本發明提供的測試方法可以測試試樣在熱應力和壓應力同時作用下的接觸熱 阻，并且方法簡單易于實現。
圖1為本發明提供的接觸熱阻測試設備整體結構示意圖
圖2為本發明中試樣上熱電偶的布局圖2a為本發明中穩定支撐架的結構示意圖3為本發明中頂板減重結構示意圖4a為本發明中冷卻水箱的主視剖視圖4b為本發明中冷卻水箱的俯視圖5a為本發明中加熱裝置結構示意圖5b為本發明中加熱裝置的圓筒形加熱筒結構示意圖5c為本發明中加熱塊的結構示意圖6為本發明中補償加熱裝置的結構示意圖6a為補償加熱裝置中固定支架的仰視圖6b為補償加熱裝置中固定支架的主視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。本發明提供一種接觸熱阻測試方法，該測試方法利用熱流在不同材料界面間傳遞 的溫度變化的特性來檢測界面接觸熱阻，因而此種方法采用比較簡單、可靠、測量精度較 高、易于操作的測試設備就可以。但因測溫元件與周圍介質需要進行充分的熱交換，需要一 定的時間才能達到熱平衡，所以達到穩態后的數據才是可信的。基于上述因素，本發明提供 的接觸熱阻測試方法具體通過如下步驟實現第一步，測試試樣和設備的準備。加工至少三個試樣，包括一個熱流計試樣和兩個測試試樣，將三個試樣豎直同軸 夾裝在底端加熱裝置和頂端應力加載裝置之間，所述的試樣上設置有熱電偶，熱電偶與數 據采集系統連接，用于測試和采集試樣的軸向溫度。第二步，對試樣加熱和加載壓應力，采集試樣測試點溫度。通過加熱裝置對試樣加熱，并對試樣施加壓應力，3 4個小時后，待試樣溫度達 到穩定后開始采集測試溫度。所述的測試溫度包括每個試樣上η個測試點的測試點溫度Td =1，……η，η為試樣上測試點數目。所述的測試點溫度Ti通過在試樣上均布的測試點熱電偶進行采集，所述的測試點熱電偶的探頭均布置在試樣的中軸線上，保證測溫的準確性。例如試樣上測試點之間的距離滿足如下關系試樣長度為1，相鄰兩個測試點之 間的軸向距離相等，每個試樣上從下端面到上端面之間設置η個測試點，測試點之間的距 離為1/η，第一個測試點距離下端面的距離等于第η個測試點距離上端面的距離，并且兩個 距離之和等于相鄰兩個測試點之間的距離。測試試樣豎直同軸，測試點從下到上均勻布置， 順序編號。熱電偶連接數據采集系統，當數據采集系統上計算機顯示試樣上每個測試點的溫 度變化在0. 5度以內時，即可認為軸向熱流傳輸已達到穩態。第三步，相鄰試樣在接觸界面處的平均溫度。將試樣上每一個測試點上的溫度進行采集和存儲，并通過計算機繪制測試點處的 溫度變化曲線。每兩個相鄰試樣上，距離接觸界面最近的兩個測試點熱電偶的溫度為1；和1；+1，則 下方試樣的第η個測試點溫度Tn和相鄰的上方試樣的第1個測試點溫度Τη+1的平均值就是 兩試樣接觸界面處的平均溫度，則接觸界面處的平均溫度ΔΤ'為 第四步，對試樣接觸界面進行溫度補償。 將接觸界面處的平均溫度ΔΤ'作為相鄰兩試樣之間的理論傳導溫度，對試樣接 觸界面進行溫度補償，采用補償加熱裝置保證試樣的接觸界面處保持理論傳導溫度ΔΤ'。
第五步，通過外推溫度梯度確定相鄰試樣接觸界面處的溫度降ΔT AT =
Tn - (Γι-Γ") x//2”]-|V +1 + (H )X"2"
(η-\)·11η
Iη-Ι
2{Τ,-Τη)) (τ . 2{Τη+ι-Τ2
τ · Δ\1η+\ 一1h 1Yt^X 十Γ
η-1
J
其中，ι為試樣長度，η為每個試樣上測試點個數，T1, Tn、Tn+1、T2n分別第一被測試 樣第1個、第η個測試點的溫度、相鄰的第二個被測試樣第η+1和第2η個測試點的溫度。第六步，根據所選熱流計來確定試樣的軸向熱流。忽略試樣的橫向熱流損失，以金屬銅作為熱流計，制備成與試樣同樣尺寸的熱流 計試樣，則軸向熱流為q = At — = λΓ(Τχ -Tn)/m
dx其中λ τ為銅的熱導率； \、Τη為熱流計試樣上第一個測試點與第η個測試點的溫 度；m為熱流計試樣上第一個測試點與第η個測試點之間的距離。第七步，計算接觸熱導和接觸熱阻。根據第六步中的軸向熱流，得到試驗中的接觸熱導h。如下 h 二丄=_^r { -Τη)Jm_C AT L Mz7Ol τ .
Tn- 1
Τη+ιΛ
η-\ 根據每兩個試樣接觸界面處的溫度降Δ T計算接觸熱阻Re
7
所述的接觸熱阻Rc為
D 1 ΔΓRc =~Γ =—
hc q其中q為軸向熱流。根據試驗需要，可以調整加熱溫度或加載應力，重復第一步到第六步可以測試不 同溫度和應力條件下的接觸熱阻。本發明還提供一種接觸熱阻測試設備，如圖1所示，所述的測試設備主要包括支 架1、頂板2、底板3、應力加載裝置4、數據采集系統6和加熱裝置7，還包括一個冷卻裝置 5。所述頂板2和底板3分別通過四組螺母8水平固定在四根支架1上，并且頂板2位于底 板3的上方。底板3和頂板2之間的空間由下至上依次設置加熱裝置7、試樣9、冷卻裝置 5和應力加載裝置4。所述應力加載裝置4固定在頂板2中心位置，應力加載裝置4的力傳 導桿穿過冷卻裝置5與試樣9的頂端接觸，用于為試樣9頂端加載應力。所述底板3設置 加熱裝置7，用于為試樣9加熱。所述的試樣9的數量至少三個，豎直軸向排列，并且其中一個試樣9作為熱流計試 樣，其余為待測接觸熱阻的材料試樣。如圖2所示，每個試樣9的中軸線上布置4個測試點 熱電偶10(如鎳鉻鎳硅熱電偶)，測試點熱電偶10作為溫度傳感器用于實時測量沿著試樣 9軸向上的溫度分布，測試點熱電偶10的探頭設置在試樣9的豎直中軸線上，測試點熱電偶 10的尾線連接數據采集系統6，如圖1，數據采集系統6采集的溫度數據通過計算機601進 行存儲并繪制溫度變化曲線，顯示給操作者，便于操作者監測和控制接觸熱阻測試過程。每個試樣9上熱電偶探頭之間的距離關系如下相鄰熱電偶之間的軸向距離相 等；每個試樣的長度為1，每個試樣上從下端面到上端面依次布置η個熱電偶，則熱電偶之 間的距離為1/η，并且第一個熱電偶距離下端面的距離等于第η個熱電偶距離上端面的距 離，均為1/2η。本發明中選用已知熱傳導系數的材料如銅作為熱流計，來測試試樣的軸向熱流q。 熱流計做成與試樣9 一樣的尺寸，作為其中的一個熱流計試樣，測試時，所述的熱流計試樣 布置在測試試樣的最頂端與應力加載裝置4的力傳導桿接觸，或者最底端與加熱裝置7直 接接觸，保證待測接觸熱阻的合金材料試樣之間接觸形成接觸界面901，本發明提供的測試 設備就是用于測試相接觸的兩試樣之間的接觸界面901處的接觸熱阻。所述的測試點熱電偶10采用K型的鎳鉻鎳硅熱電偶，能夠測0 1300°C的溫度范 圍。本發明采用測試點熱電偶10的探頭排布方式如圖2所示，探頭設置在試樣9的豎直中 軸線上。試樣長度為60mm，每個試樣9上測試點熱電偶10的探頭距離上下端面7. 5mm，相 互之間間隔15mm，一共布置四個熱電偶。在試樣9上布置測試點熱電偶10的探頭孔必須小 心的加工，因為探頭孔間距的微小的誤差即可以帶來溫度梯度的較大的誤差，進而得出接 觸熱阻較大的不確定度。由于測試點熱電偶10和熱電偶探頭孔的加工均存在公差，在試樣受熱載過程中， 試樣會受熱膨脹，一些測試點熱電偶10將有可能從試樣孔中脫落。為了固定測試點熱電偶 10，如圖2所示，本發明中將所述的測試點熱電偶10的尾線通過一個穩定支撐架11，如圖 2a所示，所述的穩定支撐架11上設置尾線孔11A，尾線孔IlA的數量等于試樣上測試點熱 電偶10的數量，每個測試點熱電偶10的尾線都穿過尾線孔IlA后與數據采集系統6連接，并且尾線是通過螺釘鎖緊的方式固定在穩定支撐架11上，防止測試點熱電偶10從試樣9 上脫落。在所述應力加載裝置4上連接有壓力傳感器401，如圖1，壓力傳感器401與數據 采集系統6中的計算機601連接，用于測量所加載壓應力的大小，并將所測量的壓應力數據 記錄和顯示在數據采集系統6的計算機601上。通過調節四個螺母8推動頂板2，使得頂板 2的高度可調，進而實現對應力加載裝置4施加壓力，應力加載裝置4通過力傳導桿將壓力 施加給試樣9的頂端。由于所述力傳導桿穿過冷卻裝置5的冷卻水箱與試樣接觸。力傳導 桿給試樣9傳導施加壓應力的同時，也將實現對試樣9的頂端的冷卻。所述的頂板2的結構如圖3所示，頂板2采用厚鋼板+加強筋的結構，并且頂板2 采用了減重結構來精簡設備，測試點熱電偶以及補償加熱裝置等部件也可以更容易插入并 且安全使用。在增大了頂板2的面積的同時，在頂板2上設置減重孔201來實現減重，減輕 了加載裝置的重量的同時也使得操作更方便。所述的冷卻裝置5放置在試樣9的頂端，如圖4a、4b所示，所述的冷卻裝置5為一 個冷卻水箱結構，冷卻水箱的中心設有中心通孔501，中心通孔501的內徑稍大于力傳導桿 的外徑，所述的中心通孔501具有內螺紋，冷卻水箱通過所述內螺紋連接固定在應力加載 裝置4的力傳導桿上。冷卻水箱內部的冷卻水的溫度可以直接傳導給力傳導桿，通過力傳 導桿的溫度降低來冷卻試樣9的上方冷端。冷卻水箱內部設置有冷卻通道502，冷卻通道 502為螺旋形圍繞中心通孔501。冷卻水從冷卻水箱底部的冷卻水入水口 503進入冷卻通 道502，并從冷卻水箱頂部的冷卻水出水口 504流出，如此循環，冷卻水以一定的流速通過 冷卻水箱內部的冷卻通道502，為力傳導桿提供較低的恒定的溫度，可以降低力傳導桿的溫 度，進而冷卻試樣9的上方冷端。一般循環冷卻水的溫度維持在20°C 25°C即可。該種方 式使得循環冷卻水與試樣冷端的接觸面積最大，最大限度地提高了冷卻效率。冷卻水箱內 部有上、中、下三層冷卻通道502，并在層與層之間設置兩個開口對角分布的隔板505，用以 保證循環冷卻水從底部流向頂部。循環冷卻水將從下而上，防止了滯留。試驗中采用此種冷卻方式發現，加熱裝置以最大的功率加熱(220V/1500W)達到 所需要的熱端溫度后，通過可控硅調壓器12調低電壓在90V-120V之間，約2-3個小時后， 試樣上的軸向熱流達到了準穩態。所述的加熱裝置7，如圖5a所示，主要包括加熱塊701，加熱塊701可以直接連接 可控硅調壓器12，可控硅調壓器12連接溫控儀，為試樣加熱；也可以通過加熱塊701外圈 的陶瓷(SiC)加熱筒702或一側開口的圓筒形加熱器705連接可控硅調壓器12，可控硅調 壓器12連接溫控儀，為試樣加熱。當選用陶瓷加熱筒702時，陶瓷加熱筒702外周纏繞有 加熱絲703，加熱絲703連接可控硅調壓器12，可控硅調壓器12連接溫控儀12A，用于為加 熱絲703提供電源功率可控制的加熱溫度，為試樣9加載溫度。加熱絲703的熱量通過陶 瓷加熱筒702傳遞給加熱塊701，為試樣9提供熱源。陶瓷加熱筒702的內徑稍大于加熱塊 701的外徑，保證陶瓷加熱筒702的熱量能夠全部傳遞給加熱塊701。所述的一側開口的圓筒形加熱器705是如圖5b所示的結構，即采用一側開口的圓 筒形加熱器705為加熱塊701加熱。所述圓筒形加熱器705內徑與加熱塊701外徑緊密接 觸，進而可以增大加熱效率，縮短加熱時間。設計成一側開口的結構，更加有利于圓筒形加 熱器705內壁與加熱塊701之間的緊密接觸。所述圓筒形加熱器705內壁上布置加熱絲703，加熱絲703的兩端連接到可控硅調壓器12，可控硅調壓器12連接溫控儀12A。所述的加熱塊701結構如圖5c所示，加熱塊701為圓柱體結構，圓柱體的上端面 上設置有一個圓柱形凹槽701A，凹槽701A直徑稍大于試樣9直徑，凹槽701A四周設置螺栓 孔701D，在將試樣9底端安裝到凹槽701A內之后，用螺栓穿過螺栓孔701D將試樣9底端頂 緊，防止試樣9底端相對于凹槽701A的移動，同時可以將加熱塊701的熱量傳遞給試樣9， 一般螺栓孔701D設置四個。加熱塊701的底部有一個螺紋柱701B，該螺紋柱701B與耐火 磚13上布置的金屬板14之間螺紋連接，如圖5a，連接金屬板14使得加熱塊701的重心下 降，穩固的位于耐火磚13的上表面。所述耐火磚13置于底板3上。所述的耐火磚13和金 屬板14都是起到固定加熱塊701的作用，同時耐火磚13也起到隔熱和調整加熱塊701的 位置平衡的作用。在加熱塊701上凹槽701A的底部位置設置一個溫度傳感器701C，溫度傳感器 701C通過圓筒形加熱器705的開口部位或者通過陶瓷套筒702連接到溫控儀12A，溫度傳 感器701C將所測溫度數據反饋到溫控儀12A上，溫控儀12A通過可控硅調壓器12控制圓 筒形加熱器705上加熱的通斷，保證加熱塊701頂部位置始終保持恒定的溫度將熱量傳遞 給測試試樣9。所述的四根支架1均具有外螺紋結構，八組螺母8可以單獨調節。調節頂板2上 固定的四組螺母8可以保證應力加載裝置4提供豎直向下的力；調節底板3的四組螺母8， 可以保證耐火磚13上的加熱塊701的軸線與地面垂直。通常選取的加熱絲703為鐵鉻鋁加熱絲，如0Cr21Al 16Nb。選取加熱塊701采用 耐高溫合金，如lCrl8Ni9Ti(600°C )，或者選取K417合金鋼(耐高溫1000°C以上)。可以 提供的最大功率為1500W。在所述陶瓷加熱筒702的外側還可以設置保溫層704(避免加熱 絲與隔熱材料直接接觸發生反應)，如圖1所示，用于防止加熱絲703和加熱塊701的熱量散失。在所述試樣9的外周設置隔熱層16，隔熱層16由保溫棉和珍珠巖組成，如圖1，隔 熱層16設置在試樣9和加熱裝置7的外周，用于防止試樣表面熱量橫向散失，盡量保證試 樣9上的溫度熱量沿著試樣9軸向上升，避免界面處熱流的橫向流失。在接觸熱阻測試過程中，由于試樣溫度從下向上傳遞，在徑向同一平面內存在著 不同的溫度，橫向上的熱流損失不可避免。根據傳熱的動力原理，兩個平面的溫差越大，則 傳熱的動力就越大，當熱流沿軸向方向最大化，達到熱流一維傳輸的準穩態，此時才可以進 行接觸熱阻的測試。為了盡量的減少橫向熱流損失，使得熱流沿軸向傳輸，本發明還設置了 補償加熱裝置15。所述的補償加熱裝置15包括兩個熱電偶15A和兩個環形加熱器15B，如 圖6所示，所述的環形加熱器15B位于接觸界面的徑向平面內，分別距離接觸界面50mm和 60mm的位置，環形加熱器15B上分別固定設置一個熱電偶15A，熱電偶ISA與溫控儀12A相 連，將環形加熱器15B的溫度反饋給溫控儀12A，通過溫控儀12A使試樣接觸界面的溫度與 環形加熱器15B的溫度一致，兩材料接觸界面橫向等溫，避免了熱量的橫向散失。試驗過程 中通過對相鄰兩個試樣上最接近的兩個測試點熱電偶10所測溫度作差并求平均，得到接 觸界面處的理論傳導溫度Δ T'，根據該理論傳導溫度ΔΤ'，調節溫控儀12Α的溫度控制 點，將環形加熱器15Β加熱溫度控制在所述的理論傳導溫度范圍內，使得熱流在試樣接觸 界面處的軸向傳輸最大化，避免橫向熱流散失。
所述環形加熱器15B通過固定支架15C固定在頂板2上，所述固定支架15C為倒 “L”型，頂端設置兩個螺紋孔150，如圖6a所示，螺釘穿過所述螺紋孔150將固定支架15C 固定在頂板2上；底端附近設置有槽形孔151，如圖6b所示，環形加熱器15B上有兩個圓孔， 用螺栓穿過所述圓孔將環形加熱器15B固定在槽形孔151上，加工成槽形孔的目的是為了 方便調節環形加熱器15B在軸向上的位置，進而使得環形加熱器15B的高度可調節。本發明中的數據采集系統6將所采集的溫度數據分為兩部分，一部分是測試點熱 電偶10的所有溫度數據，用于計算機繪制成溫度變化曲線，檢測試樣加熱溫度的穩定變 化，然后根據該采集的溫度數據進行接觸熱阻的解算；另一部分是距離接觸界面處最近的 兩個熱電偶的溫度數據，用于解算試樣接觸界面處的平均溫度，以便于控制對于試樣接觸 界面處的溫度補償。本發明中的溫控儀12A可以實現多路加熱的單獨控制和數據顯示，本發明中選取 的溫控儀12A型號為XMZJ16-38K XLDS。
權利要求
一種接觸熱阻測試方法，其特征在于如下步驟第一步，測試試樣和測試設備的準備；第二步，對試樣加熱和加載壓應力，采集試樣測試點溫度；對試樣加熱，試樣溫度達到穩定后開始采集測試溫度；所述的測試溫度包括每個試樣上n個測試點的測試點溫度Ti i＝1，……n，n為試樣上測試點數目；第二步，相鄰試樣在接觸界面處的平均溫度；將試樣上每一個測試點上的溫度進行采集和存儲，并通過計算機繪制測試點處的溫度變化曲線；每兩個相鄰試樣上，距離接觸界面最近的兩個測試點的溫度為Tn和Tn+1，則每兩個試樣接觸界面處的平均溫度ΔT′為 <mrow><mi>Δ</mi><msup> <mi>T</mi> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>n</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac><mo>;</mo> </mrow>第三步，根據試樣接觸界面處的平均溫度對試樣接觸界面進行溫度補償；根據試樣接觸界面處的平均溫度，在接觸界面處施加熱載荷，保證接觸界面處一直維持溫度為ΔT′；第四步，通過外推溫度梯度確定相鄰試樣接觸界面處的溫度降ΔT <mrow><mi>ΔT</mi><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mo>·</mo> <mi>l</mi> <mo>/</mo> <mi>n</mi></mrow> </mfrac> <mo>×</mo> <mi>l</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mo>·</mo> <mi>l</mi> <mo>/</mo> <mi>n</mi></mrow> </mfrac> <mo>×</mo> <mi>l</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>n</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>T</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>n</mi> </mrow></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，l為試樣長度，n為每個試樣上測試點個數，從下到上將每個試樣上的測試點順次編號，則T1、Tn、Tn+1、T2n分別為第一個被測試樣第1個測試點、第n個測試點、第二個被測試樣第n+1個和第2n個測試點的溫度；第五步，根據所選熱流計來確定試樣的軸向熱流；忽略試樣的橫向熱流損失，將熱流計制備成與試樣同樣尺寸的熱流計試樣，則軸向熱流為 <mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><msub> <mi>λ</mi> <mi>T</mi></msub><mfrac> <mi>dt</mi> <mi>dx</mi></mfrac><mo>=</mo><msub> <mi>λ</mi> <mi>T</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>m</mi> </mrow>其中λT為熱流計的熱導率；T1、TN為熱流計試樣上第一個測試點與第n個測試點的溫度；m為熱流計試樣上第一個測試點與第n個測試點之間的距離；第六步，計算接觸熱導和接觸熱阻；根據第五步中的軸向熱流，得到試驗中的接觸熱導hC如下 <mrow><msub> <mi>h</mi> <mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>q</mi> <mi>ΔT</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>λ</mi> <mi>T</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>m</mi> </mrow> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>n</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>T</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>n</mi> </mrow></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>根據每兩個試樣接觸界面處的溫度降ΔT計算接觸熱阻RC，所述的接觸熱阻RC為 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>h</mi><mi>C</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mi>ΔT</mi> <mi>q</mi></mfrac> </mrow>其中q為軸向熱流。
2.根據權利要求1所述的接觸熱阻測試方法，其特征在于所述的第一步具體為加工 至少三個試樣，包括一個熱流計試樣和兩個測試試樣，將三個試樣豎直同軸夾裝在底端加 熱裝置和頂端應力加載裝置之間，所述的試樣上設置有熱電偶，熱電偶與數據采集系統連 接，用于測試試樣的軸向溫度。
全文摘要
本發明公開了一種接觸熱阻測試方法，屬于測試技術領域，通過測試試樣和設備的準備、對試樣加熱采集試樣測試點溫度、計算相鄰試樣在接觸界面處的平均溫度，對試樣接觸界面進行溫度補償；根據相鄰試樣接觸界面處的溫度降和試樣的軸向熱流，計算接觸熱導和接觸熱阻。根據試驗需要，可以調整加熱裝置的加熱溫度或應力加載裝置的加載應力，測試不同溫度和應力條件下的接觸熱阻。本發明提供的測試方法可以測試試樣在熱應力和壓應力同時作用下的接觸熱阻，并且方法簡單易于實現。
文檔編號G01N25/20GK101929970SQ20101022996
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者丁美麗, 侯衛國, 劉肖, 唐慶云, 姚婧, 崔本倉, 張衛方, 王宗仁, 王曉亮 申請人:北京航空航天大學