专利名称：机械压力作用下接触热阻测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种在加压和加热条件下接触热阻测量装置及测量方法，可以用于 力-热耦合实验、热防护技术、激光加热等领域。
背景技术：
当热流通过相互接触表面时引起接触热阻，其实质是固体表面与固体表面的直接 接触只能发生在一些离散点或微小的面积上，由于表面之间间隙介质的导热系数与固体导 热系数一般相差很大，因而引起接触面附近热流发生改变，形成热流的附加阻力，这种接触 界面引起的特殊现象在机械压力作用下瞬态热传导领域(如空间飞行器的热防护，激光加 工、激光武器等)是复杂的，接触热阻与其影响因素的关系是非线性的，需要测量。力-热 耦合工程、热防护、激光加热等领域需要机械压力作用下接触热阻的实验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械压力作用下接触热阻测量装置及测量方法。所述 机械压力作用下接触热阻测量装置放置于压力机10中，机械压力作用下接触热阻测量装 置外围设置圆筒式绝热层2，绝热层2放置在2个减震缓冲装置II上，绝热层2内放置第 一试件71和第二试件711，第一试件71顶部放置有加热装置I，第二试件711放置在水 槽4内，减震缓冲装置II横跨于水槽4上，在第一试件71和第二试件711柱身设置多个 测温热电偶1，热电偶1连接到集成式数采测试仪5(四川拓普测控科技有限公司型号为 UXI-10016/50016)，集成式数采测试仪5、压力机10与电脑6相连接。所述的加热装置I包括标定的铜块8、钢片9、石棉层11和电阻丝12，标定的铜块 8的凹槽中放置有电阻丝12，标定的铜块8上放置有钢片9，钢片9上放置石棉层11，标定 的铜块8上设置有两个测温热电偶1。所述的第一试件71、第二试件711和绝热层2设置相应位置的小孔，标定的铜块8 上也设置两个小孔，测温热电耦1穿过绝热层2分别插在标定的铜块8、第一试件71和第二 试件711上。所述的减震缓冲装置II为两个，分别设置在沿水槽4方向的绝热层2两边，减震 缓冲装置II包括弹簧3、支架13和套筒14，弹簧3设置在套筒14内，支架13套在套筒14 外。本发明的测量方法是集成式数采测试仪5、压力机10与电脑6相连接，分别传输并显示试件(7I、7II) 测试点的温度和压力机10的工作压力。把第一试件71和第二试件711装入绝热层2内， 用压力机10对第一试件71和第二试件711进行预压，然后使压力机10的输出压力保持设 定值，水槽4中流过室温的水，采用220V电压，电阻丝(12)通电发热，等达到热稳定后用集 成式数采测试仪5测量标定的铜块8、第一试件71和第二试件711上测试点的温度值，将在 第一试件71和第二试件711上所测得的各点的温度进行线性回归，即已知某函数的若干离散函数值{fl，f2，…，fn}，通过调整该函数中若干待定系数fUl，λ2，…，λ3)，使得该 函数与已知点集的差别(最小二乘法)最小。如果待定函数是线性，就叫线性拟合或者线 性回归，然后得到线性回归方程。把回归值分别外推到第一试件71和第二试件711的接触 界面处，即将第一试件71和第二试件711的接触界面处到设定原点的距离带入线性回归方 程，得到第一试件71和第二试件711在接触界面处的温度值，将接触界面处的两个温度值 进行相减得到接触界面处的温降；然后由标定的铜块8上所测得的两点温度，根据导热基 本定律求得通过第一试件71和第二试件711的热流密度，最后根据接触热阻计算公式，求 得第一试件71和第二试件711的接触热阻。通过一些参数的变化，可以测试得到压力作用 下接触热阻影响因素的函数关系。本发明与现有技术相比所具有的优点本发明旨在提出机械压力作用下接触热阻测量装置，简单而且容易制作，所测结 果也相当精确，方便于教学实验和科研。
图1为机械压力作用下接触热阻测量装置的示意图；图2为加热电阻丝的示意图；图3为图1的A方向视角示意图；图4为加热装置的示意图；图5为本发明的在实施例二条件下实验数据的双曲面拟合图。图中1为测温热电稱，2为绝热层，3为弹簧，4为水槽，5为集成式数采测试仪，6 为电脑，71为第一试件，711为第二试件，8为标定的铜块，9为钢片，10为压力机，11为石棉 层，12为电阻丝，13为支架，14为套筒，15云母片，I为加热装置，II为减震缓冲装置。
具体实施例方式本发明提供一种机械压力作用下接触热阻测量装置及测量方法。下面对照附图， 说明实现
具体实施例方式实施例一(如图1所示)集成式数采测试仪5、压力机10与电脑6相连接，分别传输并显示试件(7Ι、7ΙΙ) 测试点的温度和压力机10上的工作压力；把第一试件71和第二试件71 I装入绝热层2 内，用压力机10对第一试件71和第二试件711进行预压，然后使压力机10的输出压力保 持设定值，水槽4中流过室温的水，采用220V电压，电阻丝(12)通电发热，达到热传递稳定 后，用集成式数采测试仪5测量标定的铜块8、第一试件71和第二试件711上测试点的温度 值，并将在第一试件71和第二试件711上所测得的各点的温度进行线性回归，把回归值分 别外推到第一试件71和第二试件711的接触界面处，得到第一试件71和第二试件711在 接触界面处的温度值，将接触界面处的两个温度值进行相减得到接触界面处的温降；然后 由标定的铜块8上所测得的两点温度，根据导热基本定律求得通过第一试件71和第二试件 711的热流密度，最后根据接触热阻计算公式，求得设定压力作用下第一试件71和第二试 件711之间的接触热阻。在两个试件(长度为h)上各取4个点，测量次数为1次，以第一试件71为例，设试件上各点到第一试件71上端部的距离为所测得的各点温度为Ti,列表如下
依据均勻材料的热传导特性，可假设方程形式为S1 (y) = a0+aiy, 90{y) 1， 00 = ，根据曲线拟合的最小二乘法公式，即 故 由式(1)得 由上式推导出
再由Sjy) = a。+aiy可得
同理可得 将界面处坐标h代入上述两式可得Ts (h)、Tx (h)，由此求得界面处的温差Δ T为，Δ T = Ts (h) -Tx (h)(4)再由测温热电偶所测得的铜块上两个温度值分别为Tcul和Tcu2，
(5)有导热基本定律，可知垂直导过等截面的热流密度
(6)式中负号表示热流密度与温度梯度的方向相反，万是该点等温线上的法向单位矢
AT
量，指向温度升高的方向，-为热流密度矢量，λ为热导率，——为物体沿X方向的温度梯
qΔλ
度，即温度变化率。由上述导热基本定律得
(7)式中q为通过试件的热流密度，λ cu为铜块的标定导热系数，Δ L为铜块两个测温 点的距离。最后根据接触热阻计算公式 得出接触热阻R。除此之外，根据导热基本定律，还可测得试件的导热率 , qxAL, A777 =(10)式中Δ L1为第一试件71上两个相临测温点之间的距离，Δ Ta为第一试件71两个 相临测温点之间温度差；Δ L2为第二试件711上两个相临测温点之间的距离，Δ Tb为第二 试件711两个相临测温点之间的温度差。
实施例二(如图5所示)与实施例一不同之处在于该例控制试件材料一致和试件表面粗糙度Ra保持一 定值，改变压力机所提供之压力P (压力设定范围依据材料力学性能而定)和试件表面所取 各点的温度值T，然后通过计算得出各个压力P和温度值T下的接触热阻R，通过拟合得出 方程R = f (q，P)，最后通过列表得出在试件材料和试件表面粗糙度Ra —致的条件下接触 热阻R、压力P和热流q三者间的三维关系。实施例三与实施例一和实施例二不同之处在于该例控制试件材料一致和压力P保持一定 值，改变试件表面所取各点的温度值T和试件表面的粗糙度Ra，然后通过计算得出各个温 度值T和粗糙度Ra下的接触热阻R，通过拟合得出方程R = f (Ra, P)，最后通过列表得出在 试件材料一致和压力P保持定值的条件下接触热阻R、热流q和粗糙度Ra三者间的三维关 系。实施例四与实施例一、实施例二和实施例三不同之处在于该例使两个试件材料不一致和 保持试件表面粗糙度Ra不变，改变压力机所提供之压力P和新试件表面所取各点的温度值 T，然后通过计算得出各个压力P和温度值T下的接触热阻R，通过拟合得出方程R = f (q， P)，最后通过列表得出在新试件材料一致和试件表面粗糙度Ra不变的条件下接触热阻R、 压力P和热流q三者间的三维关系。实施例五与实施例一、实施例二、实施例三和实施例四不同之处在于该例使试件材料不一 致和保持压力P不变，改变新试件表面所取各点的温度值τ和新试件表面的粗糙度Ra，然 后通过计算得出各个温度值T和粗糙度Ra下的接触热阻R，通过拟合得出方程R = f (Ra， P)，最后通过列表得出在新试件材料一致和压力P保持定值的条件下接触热阻R、热流q和 粗糙度Ra三者间的三维关系。
权利要求
一种机械压力作用下接触热阻测量装置，其特征在于，所述机械压力作用下接触热阻测量装置放置于压力机(10)中，该接触热阻测量装置的外层设置一个圆筒式绝热层(2)，绝热层(2)放置在两个减震缓冲装置(II)上，绝热层(2)内放置第一试件(7I)和第二试件(7II)，第一试件(7I)顶部放置有加热装置(I)，第二试件(7II)露出绝热层(2)的一部分放置在水槽(4)内，减震缓冲装置(II)横跨于水槽(4)上，在第一试件(7I)和第二试件(7II)柱身上设置多个测温热电偶(1)，热电偶(1)连接到集成式数采测试仪(5)，集成式数采测试仪(5)、压力机(10)与电脑(6)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种机械压力作用下接触热阻测量装置，其特征在于，所述 的加热装置(I)包括标定的铜块(8)、钢片(9)、石棉层(11)、电阻丝(12)和云母片(15)； 标定的铜块(8)的凹槽中顺序放置有云母片(15)和电阻丝(12)，标定的铜块(8)上放置有 钢片(9)，钢片(9)上放置石棉层(11)，标定的铜块⑶上设置有两个测温热电偶(1)。
3.根据权利要求1所述的一种机械压力作用下接触热阻测量装置，其特征在于，所述 的第一试件(71)、第二试件(711)和绝热层(2)上设置相应位置的小孔，测温热电偶(1)穿 过绝热层(2)插在第一试件(71)和第二试件(711)上，标定的铜块(8)上也设置两个小孔。
4.根据权利要求1或2所述的一种机械压力作用下接触热阻测量装置，其特征在于， 所述的减震缓冲装置(II)为两个，分别设置在沿水槽(4)方向的绝热层(2)两边，减震缓 冲装置(II)包括弹簧(3)、支架(13)和套筒(14)，弹簧(3)设置在套筒(14)内，支架(13) 套在套筒(14)夕卜。
5.一种机械压力作用下接触热阻测量方法，其特征在于，所述测量方法是集成式数采测试仪(5)、压力机(10)与电脑(6)相连接，分别传输并显示试件(71、 711)测试点的温度和压力机(10)上的工作压力；把第二试件(711)和第一试件(71)顺序 装入绝热层(2)内，用压力机(10)对第一试件(71)和第二试件(711)进行预压，然后使压 力机(10)的输出压力保持设定值(压力设定范围依据材料力学性能而定)，水槽(4)中流 过室温的水，采用220V电压，电阻丝(12)通电发热，达到热传递稳定后，用集成式数采测试 仪(5)测量标定的铜块(8)、第一试件(71)和第二试件(711)上测试点的温度值，并将在第 一试件(71)和第二试件(71 I)上所测得的各点的温度进行线性回归，把回归值分别外推 到第一试件(71)和第二试件(711)的接触界面处，得到第一试件(71)和第二试件(711)在 接触界面处的温度值，将接触界面处的两个温度值进行相减得到接触界面处的温降；然后 由标定的铜块⑶上所测得的两点温度，根据导热基本定律求得通过第一试件(71)和第二 试件(711)的热流密度，最后根据接触热阻计算公式，求得设定压力作用下第一试件(71) 和第二试件(711)之间的接触热阻。
全文摘要
本发明公开了一种机械压力作用下接触热阻的测量装置及测量方法。通过集成式数采测试仪和热电偶测得设定压力作用下标定的铜块、第一试件(7I)和第二试件(7II)上测试点的温度值，并将在每个试件上所测得的温度进行直线回归，把回归值分别外推到接触界面处，得到试件在接触界面处的温度值，将接触界面处的两个温度值进行相减得到接触界面处的温降；由标定的铜块上所测得的两点温度，根据导热基本定律计算得到通过试件的热流密度；然后根据接触热阻计算公式，求得设定机械压力作用下第一试件(7I)和第二试件(7II)的接触热阻。
文档编号G01N25/20GK101887041SQ201010205070
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者吴登倍, 徐晓亮, 章梓茂, 翟秀慧, 黄海明 申请人:北京交通大学