СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ПРОВОДИМОСТИ КОНТАКТОВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
METHOD OF DETERMINING HEAT CONDUCTION OF CONTACTS OF SOLID-STATE BODIES

Изобретение относится к способу определения теплофизических характеристик твердых тел, а именно тепловой проводимости контактов твердых тел.
2
Способ позволяет определять тепловую проводимость контактов твердых тел в диапазоне от 400 до 200000 Вт/(м К) и наиболее подходит для контактов, созданных с использованием дополнительных материалов, улучшающих теплопередачу между телами, таких как теплопроводная паста, теплопроводный клей, эпоксидная смола, а также оптических контактов и контактов типа термодиффузионной сварки. Способ позволяет исследовать тепловой контакт между двумя прозрачными образцами твердых тел или между прозрачным образцом и образцом из высокотеплопроводного материала. В частности это широко востребовано в области разработки твердотельных лазеров и их компонентов, где в качестве прозрачного образца выступает прозрачный элемент лазерной системы, находящийся под тепловой нагрузкой, а в качестве высокотеплопроводного образца выступает радиатор. Тепловой контакт между двумя прозрачными образцами возникает при создании композитных оптических элементов с использованием методов сращивания, например термодиффузионной сварки, или метода оптического контакта.
Существует способ измерения тепловой проводимости контакта между прозрачным образцом и высокотеплопроводным материалом [S. Chernais, F. Druon, S. Forget, F. Balembois, P. Georges "On thermal sffect in solid-state lasers: the case of ytterbium-doped materials", Progress in Quantum Electronics, 30, р.89-153 (2006)], основанный на измерении распределения температуры на поверхности образца с помощью инфракрасной камеры, когда образец нагревают лазерным излучением и охлаждают через тепловые контакты с высокотеплопроводным материалом. Тепловую проводимость контактов вычисляют из измеренного распределения температуры, рассчитанного тепловыделения в образце, теплопроводности образца и геометрии системы.
Недостатки данного способа в том, что из-за использования лазерного нагрева в качестве образца может выступать только активный элемент лазера, для каждого образца необходимо применять греющее излучение на нужной длине волны, математический расчет сложен и требует точного знания тепловыделения в образце.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является взятый за прототип способ измерения коэффициента теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов [Американский стандарт ASTM D5470, http://www.astm.org/5470.htm]. Способ включает создание стационарного одномерного теплового потока через систему, представляющую собой два металлических образца известной теплопроводности, выполненных в форме одинаковых прямых круговых цилиндров, приведенных в контакт основаниями, между которыми сжимают исследуемый материал. Тепловой поток направляют перпендикулярно плоскости контакта. Вдоль образцов закрепляют термопары для определения градиента температуры в образцах и скачка температуры между контактирующими гранями образцов. Коэффициент теплопередачи через контакт или тепловая проводимость контакта вычисляются из измеренного градиента температуры, скачка температуры и теплопроводности образцов. Система также обладает возможностью изменения давления на контакт и измерения толщины зазора между образцами.
Данный способ позволяет тестировать различные материалы. Однако коэффициент теплопередачи через контакт сильно зависит также и от материалов контактирующих поверхностей, которые на практике могут быть самыми разнообразными. Используемые в способе-прототипе образцы изготовлены из металла и не могут быть заменены прозрачными образцами из-за громоздкости системы, которая не может быть уменьшена из-за использования термопар для измерения температуры.
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание способа, позволяющего определять тепловую проводимость контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами.
Технический эффект достигается тем, что создают стационарный одномерный тепловой поток через систему из не менее чем двух образцов твердых тел с известной теплопроводностью, где образцы выполнены в форме прямых цилиндров с одинаковыми основаниями, которыми они приведены в контакт, при этом образцы в системе, расположенные по краям, изготавливают из одного материала, а тепловой поток в системе направляют перпендикулярно плоскости контакта.
Новым является то, что в системе используют два либо три образца, прямые цилиндры выполняют в виде прямоугольных параллелепипедов, образцы, расположенные по краям, изготавливают с длинами сторон не менее 1 мм из прозрачного материала, в случае системы из трех образцов твердых тел средний образец изготавливают из высокотеплопроводного материала, систему помещают в интерферометр, при этом световой пучок интерферометра направляют перпендикулярно одной из боковых граней каждого прозрачного образца, при создании в системе стационарного одномерного теплового потока интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы, а тепловую проводимость любого из контактов вычисляют из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, известной теплопроводности и геометрических размеров образцов.
Способ поясняется Фиг. 1, на которой изображена система из приведенных в контакт образцов твердых тел, а также нагреватель и радиатор, которые создают через систему стационарный одномерный тепловой поток.
Способ осуществляют следующим образом. Используют систему, представленную на Фиг. 1. Система из двух образцов представляет собой два скрепленных прозрачных образца 4 одинаковой формы, выполненных из одного материала. В системе из трех образцов между прозрачными образцами закреплен высокотеплопроводный образец 3. Теплопроводность всех образцов известна. Все образцы выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с одинаковыми основаниями, которыми они и приведены в контакт. Прозрачные образцы 4 имеют высоту от 2 до 5 мм. Высокотеплопроводный образец - высоту 1 мм. Определяют тепловую проводимость контактов 5. С одной стороны к системе прикрепляют нагреватель 1, с другой - радиатор с проточным охлаждением 2, которые в момент измерений создают в системе стационарный одномерный тепловой поток, направленный перпендикулярно плоскости контакта. Систему помещают в интерферометр и интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы 4, которое появляется при включении в системе стационарного теплового потока. При этом световой пучок интерферометра перпендикулярен одной из боковых граней каждого из прозрачных образцов 4.
1
2
Из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра (L) вычисляют градиент изменения профиля фазы пучка в прозрачных образцах 4 (dL/dx и dL/dx) и скачок изменения профиля фазы пучка между обращенными друг к другу основаниями прозрачных образцов 4 (ΔL).
В случае системы из двух прозрачных образцов 4 тепловую проводимость контакта вычисляют по формуле:
,
1
2
0
где dL/dx - среднее арифметическое от dL/dx и dL/dx, κ - теплопроводность прозрачных образцов 4. Данная формула получается из формулы, используемой для расчета в способе-прототипе:
,
где Т - изменение температуры при включении в системе стационарного теплового потока, ΔT - скачок изменения температуры между обращенными друг к другу основаниями прозрачных образцов 4, dT/dx - среднее арифметическое градиентов изменения температуры в прозрачных образцах 4. При этом используется линейная связь изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через прозрачные образцы 4, с изменением распределения температуры в них:
,
0
где L - толщина одного из прозрачных образцов 4 в том направлении, в котором направлен световой пучок интерферометра, dn/dT - температурное изменение показателя преломления одного из прозрачных образцов 4, α - коэффициент теплового расширения одного из прозрачных образцов 4.
В случае системы из трех образцов величина ΔL связана со скачком температуры на двух контактах 5 и скачком температуры на высокотеплопроводном образце 3. В этом случае тепловую проводимость любого из контактов вычисляют по формуле:
,
где h - высота высокотеплопроводного образца 3, κ - теплопроводность высокотеплопроводного образца 3.
Мощность тепла, уходящего в атмосферу, оценивают из разности градиентов изменения профиля фазы пучка в прозрачных образцах 4. Она должна быть много меньше мощности тепла, протекающей через систему. Если это условие не выполняется, систему покрывают теплоизолирующей оболочкой или помещают в вакуумную камеру.
Способ может быть применен для измерения при температурах от 10 К до 400 К помещением системы в вакуумную камеру и использованием системы охлаждения с возможностью стабилизации температуры на любом уровне из заданного диапазона.
При этом в качестве хладагентов используют воду (от 280 К), жидкий азот (от 80 К) или жидкий гелий (от 10 К).
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять тепловую проводимость контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами.
Результаты измерений могут быть использованы при расчетах распределения температуры и для оптимизации тепловых контактов в конструкциях, состоящих из контактирующих прозрачных и высокотеплопроводных элементов, в частности при разработке твердотельных лазеров и их компонентов.