[科普中国]-接触热导

当热流通过两物体的接触表面时，由于表面接触不完全而导致热流线收缩，因此交界面产生明显的温度降，这样形成的热阻称为接触热阻。随着科学技术的发展，接触热阻问题在科学研究及工程实践上，越来越得到重视。宇航、航空、核反应工程，电子技术、化工、机电、传热设备等工程上都需要减少接触热阻来加大热通量，建立良好的导热通路。另一方面，在低温贮藏、冷冻、保温隔热等工程中，又需要增加接触热阻，达到热绝缘的目的。由此可见，在许多热设计和热分析中，接触热导是十分重要的设计参数。1

分类从换热角度来看，两物体表面间的接触可简单分为以下三种情况：(1)两接触表面间既无外力连结，又无介质存在，此时的换热效果最差，(2)两表面间完全焊接为一体，连结后其换热效果最好，(3)介予上述两种极端情况之间，也是工程中常遇到的。当两物体表面接触在一起时，实际接触面积与材料性质、表面粗糙度、表面平整度、接触压力等因素有关。从微观来看，表面形貌并不平滑，而是非常凹凸不平，实际接触面积只有名义接触面积的0.1%。1

主要形式接触面问的热交换主要通过以下三种方式进行：(1)热流通过实际接触面积的固体传导，(2)热流通过空隙中的圈体、流体及气体填料进行热传递，(3)裂缝间的热辐射。1

影响因素影响接触热导的因素主要有接触界面的温度、接触副的热物性、接触副的力学性能、接触压力以及载荷加载步骤等。

粗糙表面间的接触热导不仅仅与接触载荷、间隙介质等外在因素有关，还与接触界面的温度有关，而温度对接触热导的影响主要体现在如下几个方面：

(1)温度影响接触副的导热系数。通常，物质的导热系数随温度具有一定的变化规律，接触热导与接触副的等效导热系数成正比，因此接触副的导热系数越大，接触热阻也越大。

(2)温度影响接触副的力学性能。对于大部分的金属材料而言，随着温度的升高，其塑性增加，硬度下降，因此，在相同载荷下，温度越高，接触副之间的接触面积越大，接触热导越大。

(3)温度影响接触间隙之间的辐射传热。根据本文的计算分析，以及文献报导，在常温和低温情况下，辐射换热在接触换热中所占的比例非常小，完全可以忽略，但是在高温条件下(大于400K)辐射的影响是值得考虑的。

(4)温度影响接触副的表面形貌。对接触副(多晶体固体)加热前后的表面微观情况进行了比较，发现加热之后，表面轮廓算术平均偏差以及表面微观不平度十点高度均有下降，作者所测得的一系列实验数据表明，随着温
度的升高接触热导逐渐升高。

接触热导主要与接触载荷、接触副硬度、接触副等效导热系数相关。而后两个参数与接触副的温度相关，通常，温度对等效导热系数的影响较小。然而，温度对接触副硬度的影响则较为复杂，相关资料较少，因此很难定量分析接触副硬度对接触热导的影响。对于金属材料而言，随着温度升高，材料的塑性增加，硬度下降。因此，接触热导随着温度的升高而增大，其变化规律受到硬度一温度关系的约束。2

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所