热分析丨热阻（二）
上篇：热分析丨热阻（一）
在热分析中，理解热阻十分重要，本文继续写接触热阻。
3 接触热阻
3.1 接触热阻的产生
理想情况，两个相互接触表面是0间隙的，接触界面处温度是相同的，不存在温降的，如图（a）所示。
实际情况却是，受限于机械加工精度，互相接触的两个表面均存在一定的粗糙度，刚性界面间存在极其细微的凹凸不平的间隙，如上图（b）所示。
两个表面传递的热量可以分为两部分：
①固体接触点（固-固传导）；
② 间隙非接触间隙传热（间隙间热传导/热辐射）。
间隙之间被空气填充着，空气导热系数较小，接触界面间隙使得热量传递变得困难。
在热设计中，热阻是不可忽略的！热阻作用的不确定性，可能对产品使用产生至关重要的影响。
3.2 影响接触热阻的因素
接触表面粗糙度、材料性能、交界面处温度和压力、交界面处流体类型等。
注意：①当使用螺栓、螺钉、铆钉固定时，情况会更加复杂，此时接触热阻还取决于板的厚度、螺栓半径和接触区域大小（直接搬过来的）；
② 在压力一定条件下，两个表面接触时，有效接触面积是接触材料表面状态及物性、表面平整度、粗糙度以及接触压力的函数；
③ 接触热阻的形成是由于两接触表面面积很小一部分形成的。
3.3 填充材料
在接触面之间放入填充材料可以解决热阻带来的影响，比如对于用于单位面积的一层1厚的绝缘材料的热阻为：
R绝缘=L/K=0.01/0.04=0.25(m2.K)/W
R铜=L/K=0.01/386=2.6e-05(m2.K)/W
图 workbench中热阻设置
3.3.1 填充材料分类
（1）导热脂类
不会固化，方便拆卸。
在电子元件与散热器连接处，常采用硅油来降低接触热阻。
（2）导热胶类
会固化，不方便拆卸。
（3）导热垫类
方便装配，比如硅橡胶、铟箔，采用铟箔可以降低接触热阻高达7倍。
也有采用导电气体取代交界面处空气来降低热阻的。
根据上表可知，交界面处流体材料为空气、氦气、氢气、硅油、甘油的接触热阻依次降低。
3.3.2 填充材料特点
（1）加压后容易变形，以保证固-固安装交界面处良好的填充效果；
（2）填充材料的导热系数是关键指标，不同材料差异较大；
（3）不同填充材料对温度的应用范围有所不同。
比如：导热硅脂使用温度上限为80℃，而硅橡胶垫使用温度可以提高到200℃。
3.3.3 填充材料选用原则
（1）满足设备使用要求
比如：使用温度、热流量、安装部位、表面状态等。
注意：对于填充材料一般是根据工程经验直接抄答案。
而从理论设计角度看，可以借助热设计软件获得交界面处温度/热流量值，考虑一定设计余量，选择合适的填充材料以及填充状态。
（2）不存在唯一准则，最优准则
对于以对流散热为主的设备，热流量较小的红外高发射率设备，一般不考虑填充材料降低热阻，安装状态一般考虑干接触。
对于热流量较大的情况下，安装界面处一般需要布置导热填充材料。
（3）填充材料选择需用考虑使用条件
比如对于有光学镜片的设备，一般不会用导热硅脂（挥发性）；
交界面处温度特别高时，不会使用铟箔（熔点低）。
3.4 稳态热分析验证热阻作用
在Workbench的稳态热分析模块，做一个简单对比，1mm间隙进行导热填充前后温度分布情况对比。
小圆片定温80℃，两个圆片与外界环境对流换热（环境温度22℃，对流换热系数10W/(m2.K)）。
① 1mm间隙为空气（hc=26.7）
图 温度云图
图 交界面处热流量云图
② 1mm间隙为导热硅脂（hc=3000）
图 温度云图
图 交界面处热流量云图
通过对比，可以看出交界面处填充导热硅脂后，换热性能达到提升。
参考文献：
Heat and mass transfer
航天器热控制技术
关于热传导内容，写到这。热对流和热辐射过段时间继续更。
