专利名称：一种上下恒温参数辨识法测固-固接触热阻的制作方法
技术领域：
本发明属于测试技术领域，具体涉及一种固-固接触热阻测试方法，特别是一种上下恒温参数辨识法测固-固接触热阻。
背景技术：
接触热阻是一个受材料物性、机械特性、表面形貌、接触压力、温度、间隙材料等众多因素影响的参数。根据实验热流是否稳定，一般把接触热阻测量方法分为瞬态法和稳态法。瞬态法也是一种常用的接触热阻实验测量方法，其主要包括激光光热测量法、热成像法、“ flash”闪光法、激光光声法等，其中激光光热测量法又包含调制光热法和热扫描法，调制光热法又有光热幅值法、光热相位法和脉冲法之分。虽然各种瞬态法虽宜于快速测量且可测量小到纳米数量级的薄膜，但其测量过程易受各种因素影响，且公式推导相对复杂，测量精度也较难保证。因此，界面接触热阻测量方法最常用的是稳态法在两接触样品上维持 一定的温差，测量两样品轴向上的温度值，再由傅里叶定律外推至接触界面处从而得到界面上的温差；热流量可由热流量计测量或由样品材料的热导率和温度梯度计算得到，从而R= I T1-T2 I /Q0稳态接触热阻测试方法多是和美国国家标准ASTMD5470-06的测试标准设备相类似，但多有文献指出由于温度测量的不确定性误差和热损失误差很难保证对界面接触热阻有足够高的测量精度。

发明内容
本发明的目的是提一种上下恒温参数辨识法测固-固接触热阻。实现本发明目的的技术解决方案是一种上下恒温参数辨识法测固-固接触热阻，包括以下具体步骤第一步，测试设备的准备和测试试样测试点的选取加工出两试样，将试样竖直同轴夹装在两个上下对称设置的制冷加热套之间，在两制冷加热套上设置有应力加载装置，所述的试样上设置有温度传感器，温度传感器与数据采集系统连接，用于测试试样的轴向温度；试样上测试点之间的位置满足如下关系每个试样从下端面到上端面之间均设置n个测试点，每个试样上的相邻两个测试点之间的轴向距离相等，测试点之间的距离为dx ；第二步，加载压应力，正向对试样加热对两试样轴向的一端加热，另一端冷却，试样温度达到稳定后开始采集测试温度；
所述的测试温度包括各试样上n个测试点的测量温度Ti, ji=l,......n，n为试样上
测试点数目，j=l，2分别表示两不同的试样；第三步，测试点测量温度的修正在做好充分的绝热条件下，对试样的两端同时设定同一个恒定温度，试样温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括试样上n个测试点的测量温度
, i = l-......n,n为试样上测试点数目；
对步骤二中所采集的n个测试点的温度测量范围根据精度需要进行上述的多恒定温度点重复进行试样上n个测试点的测量温度采集，并把试样上各个测试点的测量温度与所设定的恒定温度进行参数辨识分析，进行线性拟合或多元拟合成相关函数；第四步，接触热阻R的计算把第三步的相关函数对步骤二中采集的各个测试点的测量温度进行求解得到一修正温度1 i=l ......n,n为试样上测试点数目；进而在忽略热流损失的情况下，可较高精度的计算得到试样的接触热阻R。为较高精度的计算得到热流量，也可在测试试样两端或任意一端轴向加设同样截面尺寸的标准热流量计。所述的温度传感器采用热电偶、热电阻、PT100或PT25。 同现有技术相比，本发明所述的一种上下恒温参数辨识法测固-固接触热阻采用上下双向热流的对称测试结构进行上下恒定温度基本消除热损失和温度传感器的误差项，且可在保证较高的精度前提下能快速的测定接触热阻。为了便于深入了解本发明的结构内容以及所能达成有益效果，下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细说明。


图I为本发明一种上下恒温参数辨识法测固-固接触热阻的装置的结构示意图。图2为本发明的系统测试原理图；图3为本发明中测试试件I的示意图；图4为采用本发明方法的上下恒定温度后的温度偏差同恒定温度的关系图。图5为采用本发明方法的上下恒定温度后的拟合函数的相关参数。图6为本发明方法修正后的接触热阻与热流量的关系图。
具体实施例方式因此，为解决上述问题，本发明在美国国家标准ASTM D5470基础上提出了一种上下恒温温度修正测固-固接触热阻的方法，通过对测试件进行多点恒温采用高精度温度传感器进行上下恒定温度参数辨识消去各温度传感器的误差项和热损失误差，结合可控温热辐射防辐射屏来及辅助措施减小横向热流损失，来达到高精度测试试件的热物性参数的目的，本方法可高精度的测量同种材料及不同种材料间的界面接触热阻。在图I中，本发明公开了一种高精度热界面材料的测试装置，该装置为上下正反双向热流测试的对称结构，包括控制系统、支架3、第一滚珠套筒4-1、第二滚珠套筒4-2、滑动螺杆5、定向钢球和压力传感器6、辅助加热器7、真空罩9、试件测试区10、应力加载装置、真空抽放气口 13、进出水口 14、数据采集系统、密封底盘16，支撑板17，水平调节杆20和加热丝21 ;其特征在于应力加载装置由液压缸11和压力动力源12组成，液压缸11位于压力动力源12的上方；数据采集系统由温度传感器、密封数据接头15组成，温度传感器通过导线与密封数据接头15相连；控制系统由可控温防辐射屏2、加热制冷套I和控制防辐射屏加热丝R2组成；试样测试区10包括测试试件，其中定向钢球和压力传感器6、支架3、支撑板17和加热制冷套I上下对称，定向钢球和压力传感器6固定在支撑板17中心位置，应力加载装置通过支架3定位并和定向钢球以及压力传感器6接触，为试样加载应力，第一滚珠套筒4-1设置在滑动螺杆5的上下两端与支撑板17固定，第二滚珠套筒4-2设置在滑动螺杆5的底部并与支架3固定，辅助加热器7位于支撑板17和加热制冷套I之间，试样测试区10位于上下对称的两个加热制冷套I之间，两个可控温防辐射屏2位于试样测试区10的外部，真空罩9位于整个装置的外部固定于密封底盘16上，滑动螺杆5固定于密封底盘16的上部，真空抽放气口 13、进出水口 14和密封数据接头15均设置在密封底盘16上，液压缸11贯穿密封底盘16的中心，密封底盘上设置有四组水平调节杆20。图2为本发明的测试原理示意图，在进行测试过程中，根据热流量计和试件上的温度传感器测量温度由控制系统调控防辐射屏上的加热装置和试件近似的温度梯度以此来减小热量损失。在上下制冷加热套的位置也相应布置有辅助加热器来调控和加热源近似的温度来减小热损失。在图3中，本发明中插装有温度传感器的测试试件I的主视图，在该试件上插装有位置上下对称度有严格要求的3组温度传感器，相邻传感器之间距离为25mm，接触界面至第一个传感器位置的距离为2_。试件可加工成圆柱形或者长方体形，温度传感器的插装孔 有严格的位置精度和形状精度要求。在插装温度传感器前对加工试件进行丙酮、异丙酮和超声波清洗。温度传感器为等距排列，温度传感器的探头是通过焊接或导热膏粘结插装孔里。本发明公开了一种上下恒温参数辨识法测定一对铜合金材料试件之间接触热阻的方法，其测试步骤如下第一步，测试设备的准备和测试试样测试点的选取如图I和图2所示，可根据已知材料的导热系数制作出两标准材料(本实施例采用99. 999%的纯铜)热流量计，加工出两铜合金材料试件，将试件竖直安装在两个上下对称设置的制冷加热套之间，在两制冷加热套上设置有应力加载装置，所述的试件上设置有温度传感器，温度传感器与数据采集系统连接，用于测试试件的轴向温度；试件上测试点之间的位置满足如下关系每个试件从下端面到上端面之间均设置3个测试点，每个试件上相邻两个测试点之间的轴向距离相等，测试点之间的距离为dx=25mm,从接触界面到一个测试点的位置为2mm,如图2所示试件I的(T. x)7测试点到接触界面的距离为2mm，试件2同样从接触界面到一个测试点的位置为2mm。并按温度传感器尺寸在标准材料热流量计和试件上等距的加工出温度传感器的探头安装孔，所述的温度传感器的探头安装孔< 0. 5mm,探头安装孔里通过焊接或导热膏粘结< 0. 5mm的温度传感器探头，温度传感器通过真空腔壁的连接器与数据采集系统连接，本发明的温度传感器采用热电偶。第二步，加载压应力(本实施例为2. IMPa)，正向对试样加热如图I和图2所示所示将布置有3组温度传感器的的试件I和2竖直夹装在上下两端对称设有热流量计、制冷加热套、辅助加热装置的真空腔中，为较小热损失在保温层外层加设一内嵌有加热装置的可控温防辐射屏，在抽真空后进行顶端加热底端制冷的正向热流测试，此时可控温防辐射屏模拟出近似试件的温度梯度，顶端布置的辅助加热器根据加热制冷套的温度控制其温度减小纵轴向的热损失，达到稳态时进行温度数据采集，此时加载功率可通过上下对称布置的热流量计的来换算热流量。
例如在热流量为3. 5W时，测得试件I上的(T. X) 5=25. 053、(T. x) 6=24. 658、(T. x) 7=24. 257，试件 2 上的(T. x)9=23. 038、(T. x) 10=22. 64 和(T. x)n=22. 243。第三步，测试点测量温度的修正在做好充分的绝热条件下，对步骤二中所采集的试件I上的(T.x)5、(!'.乂八和(T.x)7以及试件2上的(T.x)9、(T.x)1ci和个测试点对上下对称布置的加热制冷套从22 28°C的进行7个恒定温度点的稳态采集数据。如图4所示，设定加热制冷套的恒定温度并记录(T.x)5、(T.x)6、(T.x)7、(T.x)9、(T.x)1q和(Lx)11测试点的测量温度(T.x)r (t.x)6, (t.x)7, (T.x)g.和该恒定温度的偏差。本案例按进行
y=A0Xx3+AlXx2+A2Xx+A3的多元方程函数对该温度偏差与恒定温度进行数据拟合，拟合的参数A0、A1、A2和A3如图5所示。第四步，接触热阻R的计算 如图6 所示，例如在热流量为 3. 5W 时，把(T. x)5=25. 053、(T. x)6=24. 658、(T. x) 7=24. 257 以及(T. x)9=23. 038、(T. x)1(l=22. 64 和(T. x)n=22. 243 的温度值代入第三步的共6个测试点的拟合相关函数中得到温度偏差值，从而得到(f.x)s =25.039， (f.x)6 :24. 625， (f.x) =24.198 ， (f.x)y =23. 061 ，
(亍.x)io:22.642,(亍.x)n=22. 241。在加正向热流测试时，在热流量为3. 5W时，把修正后的根据试件I上的(T. x)5、(Lx)f^P 0\1)7与3个测试点位置的修正后的温度梯度关系，以及试件2上的(T.x)9、(T. x)10和(T. W11与3个测试点位置的修正后的温度梯度关系，通过数值方法外推得到的试件I的外推界面温度为七，试件2的外推界面温度为fs_2。两试件的界面温差为A T = t, -1.: =1.089
A亍继而接触热阻~为古=一 =0.3 I I YJl
RQ其中Q为热流量。如图6所示，在热流量在3. 5W时，上加热由试件I和试件2上没有修正的温度(T. X) 5=25. 053、(T. X) 6=24. 658、(T. X) 7=24. 257、(T. X) 9=23. 038、(T. X) 10=22. 64和(T. X) n=22. 243计算得到的接触热阻值为0. 33K/W，而采用修正后的温度=25.03866、(f.x)fi =24.6249 , (f.x) =24. 19786 .
(t.x)s=23. 061、(f.x)io=22. 642和(t\X)u=22. 241计算得到的接触热阻值为() 311K/ff0 同
理，对图6所示的采用上下不同热流方向计算得到的接触热阻值所测量的温度值进行修正，即得到图6所示的上下不同热流方向计算得到的接触热阻值与采用本方法温度修正后得到的接触热阻值同加载热流的关系。以上所述为本发明的较佳实施例的详细说明与图附，并非用来限制本发明，本发明的所有范围应以专利权利书所要求保护的范围为准，凡与本发明的设计思想及其类似变化的实施例、近似结构，都应包含于本发明的专利保护范围之中。
权利要求
1.ー种上下恒温參数辨识法测固-固接触热阻，其特征在于所述方法包括以下具体步骤 第一歩，测试设备的准备和测试试样测试点的选取 加工出两试样，将试样竖直同轴夹装在两个上下对称设置的制冷加热套之间，在两制冷加热套上设置有应カ加载装置，所述的试样上设置有温度传感器，温度传感器与数据采集系统连接，用于测试试样的轴向温度； 试样上测试点之间的位置满足如下关系每个试样从下端面到上端面之间均设置n个测试点，每个试样上的相邻两个测试点之间的轴向距离相等，测试点之间的距离为dx ； 第二步，加载压应力，正向对试样加热 对两试样轴向的一端加热，另一端冷却，试样温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括各试样上n个测试点的测量温度Ti, ji=l,......n, n为试样上测试点数目，j=l，2分别表示两不同的试样； 第三步，测试点測量温度的修正 在做好充分的绝热条件下，对试样的两端同时设定同一个恒定温度，试样温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括试样上n个测试点的測量温度丁 '=1-......n，n为试样上测试点数目； 对步骤ニ中所采集的n个测试点的温度测量范围根据精度需要进行上述的多恒定温度点重复进行试样上n个测试点的測量温度采集，并把试样上各个测试点的測量温度与所设定的恒定温度进行參数辨识分析，进行线性拟合或多元拟合成相关函数； 第四步，接触热阻R的计算 把第三步的相关函数对步骤ニ中采集的各个测试点的測量温度进行求解得到一修正温度卞」i = l ......n，n为试样上测试点数目； 进而在忽略热流损失的情况下，可较高精度的计算得到试样的接触热阻R。
2.根据权利要求I所述的上下恒温參数辨识法测固-固接触热阻，其特征在于在测试试样两端或任意一端轴向加设同样截面尺寸的标准热流量计。
3.根据权利要求I所述的上下恒温參数辨识法测固-固接触热阻，其特征在于所述的温度传感器采用热电偶、热电阻、PTlOO或PT25。
全文摘要
本发明在美国国家标准ASTMD5470基础上提出了一种上下恒温温度修正测固-固接触热阻的方法，通过对测试件进行多点恒温采用高精度温度传感器进行上下恒定温度参数辨识消去各温度传感器的误差项和热损失误差，结合可控温热辐射防辐射屏来及辅助措施减小横向热流损失，来达到高精度测试试件的热物性参数的目的，本方法可高精度的测量同种材料及不同种材料间的界面接触热阻。
文档编号G01N25/20GK102778475SQ20121027932
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者宣益民, 张平, 徐德好, 李强 申请人:南京理工大学