什么是接触热阻？

接触热阻（Thermal Contact Resistance, TCR）是指两个固体表面接触时，由于实际接触面积小于表观接触面积而产生的热传导阻力。其定义为两接触面温差（ΔT）与通过热流（Q）的比值，公式为：

   

当两表面接触时，微观粗糙度导致接触点呈离散分布，非接触区域形成空气隙（或填充其他介质），热量需通过固体接触点的传导及间隙中的对流、辐射传递，从而产生额外热阻。例如，在CPU与散热器之间，接触热阻会显著影响散热效率。

   

表面粗糙度越大，实际接触面积越小，接触热阻越高。例如，抛光后的金属表面接触热阻可降低50%以上。
表面波纹度与几何形状（如微凸体分布）也会影响热流路径。

   

增加压力可迫使表面微凸体变形，扩大接触面积。实验表明，当压力从0.1 MPa增至1 MPa时，钢-钢接触热阻可减少40%。

   

表面贴装式晶体管的接触热阻是接触压力的函数（图片来源：中国热管理网）

材料导热系数：高导热材料（如铜）的接触热阻通常低于低导热材料（如陶瓷）。

材料硬度：软材料（如铝）在相同压力下更易变形，接触面积更大。

空气隙的热导率极低（约0.026 W/m·K），而填充导热脂（导热系数1\sim5 W/m·K）可显著降低热阻。例如，使用导热硅脂可使接触热阻减少75%。

温度：高温下材料软化可能增加接触面积，但氧化层形成会阻碍传热。

气体压力：真空环境下空气隙传热消失，接触热阻主要由固体接触点主导。

接触热阻可分解为两部分并联热阻：
固体接触点热阻：由实际接触面积（A）和材料调和平均热导率（k_h）决定：

   

间隙介质热阻：涉及气体热导率（k_g）、间隙厚度（δ）及气体压力（p）：

   

其中C为气体常数，a为热适应系数。

       

       

01

       

电子设备散热

CPU/GPU与散热器间的接触热阻是散热瓶颈。例如，未使用导热膏时，接触热阻可达0.5\sim2 K/W，而添加导热材料后可降至0.1 K/W以下。

       

       

02

       

工业热交换器

锅炉管道与隔热层间的接触热阻影响整体热效率，需通过优化表面处理或增加紧固力降低热阻。

   

       

       

03

       

航空航天

高温环境下（如火箭发动机），接触热阻管理对热防护系统至关重要。碳/碳化硅复合材料与隔热层的接触热阻需通过实验精确测定。

   

       

       

04

       

太阳能集热器

吸热板与管路的接触热阻会导致效率损失高达10%，石墨基涂层可有效改善热传递。

1

稳态法

       

原理：维持稳定温差，通过热电偶测量温度梯度，结合傅里叶定律计算热阻。
缺点：需长时间达到热平衡，且热电偶嵌入可能干扰温度场。

   

基于 ASTM 5470 标准建立稳态接触热阻测试装置（参考文献：陈孟君，张平，固-固界面接触热阻影响因素的实验研究）

2

瞬态法

       

激光光热法：利用热波相位信号反推热阻，分辨率高但需精密光学设备。

激光闪光法：通过脉冲加热和红外测温快速获取数据，适用于薄层材料。

   

瞬态激光导热系数测定仪

3

数值模拟

       

COMSOL、ANSYS等软件可模拟接触压力、粗糙度对热阻的影响。例如，某电子封装模型显示，接触压力从0.5 MPa增至2 MPa时，芯片温度下降12℃。

       

01

表面处理

         

抛光或研磨降低粗糙度（Ra < 0.1 μm），或采用电镀/喷涂形成平滑涂层。

       

02

界面材料优化

         

导热脂、相变材料（PCM）或金属箔（如0.1 mm铝箔）填充间隙。实验表明，铝箔复合界面材料可降低接触热阻25%。

       

03

力学设计

         

增加接触压力（≥200 N/cm²）或采用弹性压紧结构（如弹簧螺丝）以提高接触面积。

       

04

环境控制

         

真空环境消除空气隙传热，或充入高导热气体（如氦气）替代空气。