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两个物体表面在机械载荷作用下相互接触的情况 随处可见，然而热流从两个物体的接触界面通过的行 为还没有被完全了解。在过去二三十年中， 接触界面传 热一直是传热学中的一个活跃问题，对于它产生的机 理， 广大学者进行了大量的理论与实验研究， 普遍认为 界面热阻的产生是由于粗糙表面间不完全接触所造成 的热流线收缩而导致的 T%U。
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试件的制取及相关物性参数的测定 试件的材料： （试件 !） ， 纯铝棒 （试件 %） 。 "#$ 钢棒 试件的尺寸：所有试件被加工成直径为 !#&" ’’，
长分别为 () ’’ 和 *) ’’ 两种情况。两试件接触表面 分别采用不同的加工工艺，以获得不同的接触表面形 貌。利用 +,-%. 表面粗糙度测试仪分别对所有试件接
’()*+,-*./ 0*1*2+34 56+ /4* 7./*+523,28 94*+-28 :6./23/ 0*1,1/2.3*
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参 考 文 献：
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触表面进行测量，共测了三组不同接触表面形貌的情 况。/ 系列的等效 （混合） 均方根表面粗糙度为
0&"0& ’； , 系列的等效粗糙度为 %1&*#& ’； . 系列的等
效粗糙度为 %!&)#& ’。 铝棒材料的布氏硬度在 23%*(&# 型布洛维硬度计 上测得。 所用钢球直径 !4# ’’， 载荷 "4)!&# 567， 8 点压 痕直径 # 分别为 %&0"19 %&0(19 %&0#! ’’9 得 到 8 点 布 氏硬度分别为： 平均后得到所测铸造铝 *%&8， *1&"， (*&(， 棒材料布氏硬度为 *1&%。
图$
接触热导随接触表面温度的变化曲线
/—加热； ,- 冷却
（ !）接触压力对接触热导的影响 接触压力对接触热导的影响如图 " 所示。图 " 示 出了接触热导与接触压力之间的变化关系，从图 " 中 可以看出改变接触压力会明显地改变接触热导，随着
图! 接触热阻实验系统
压力增大而增加。由于载荷的大小直接影响接触界面 处相互接触的两微凸体的变形程度， 载荷越大， 变形程 度越大，实际接触面积也越大，从而导致接触热导增 大。同时， 卸载过程中的接触热导大于加载过程时的接 触热导，说明在加载过程中试件发生了不可恢复的塑 性变形， 导致卸载过程中的接触热导值增大 :";。 （8）均方根表面粗糙度对接触热导的影响 均方根表面粗糙度对接触热导的影响如图 # 所示。
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金
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术
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接触表面粗糙度之间的关系进行了实验研究，分别见 图 !、 "、 #。 （!）进行了关于热流方向与接触热导关系的实验 研究， 通过实验发现， 当热流方向由钢到铝时的接触热 导值较热流方向由铝到钢时的接触热导值大一些。这
与 $%&’()*+ 的关于热流方向对接触热导影响宏观接触 模型的理论分析相吻合， 见图 ,、 -。 （"）就 中 间 介 质（石 墨 ）对 接 触 热 导 的 影 响 进 行 了实验研究， 见图 .。
% 界面接触热阻产生机理及其影响因素
当一定的热流通过接触界面时，两接触表面之间 会出现一个间断的温差 ! !! 如图 % 所示。接触热阻 " 定义为 ! ! 和接触面上平均热流密度 # 之比 T(U：
图! 接触界面热阻产生机理
"$ ! ! #
从而接触热导可以表示为：
（%）
当热量从高温物体向低温物体传递时，主要通过 以下几个途径：
观模型的理论分析结果相吻合。 （,） 中间介质对接触热导的影响 接触热导随接 图 + 示出了有中间介质（石墨）时， 触压力之间的变化关系， 并与无中间介质时的情况进行 了对比， 从图中可以看出存在中间介质（石墨）时的接
>
结
论
（)）设计完成了一套界面接触热阻实验系统。 （.）对界面接触热导与接触表面温度、 接触压力、
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接触热阻实验研究
接触热阻实验系统 由电压调节器来控制输 接触热阻实验系统见图 !。
出的电压值， 以获得不同的接触界面温度， 热电偶输出 信号通过温度变送器送入数采仪，经数采仪将采集到 的信号保存在笔记本电脑中，从而获得在不同界面接 触温度条件下试件上各点的温度分布情况；调节液压 式压力装置， 使压力值改变， 当温度达到稳定状态时， 进行数据采集，从而获得在不同界面接触压力的条件 下试件上各点的温度分布情况。
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接触热导随接触压力的变化曲线
!—加载； # —卸载
图$
热流方向改变时接触热导与接触表面温度的关系
!" 热流方向铝到钢； #" 热流方向钢到铝
图#
接触热导与均方根表面粗糙度之间的关系
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热流方向改变时接触热导与接触压力的关系
!" 热流方向铝到钢； #" 热流方向钢到铝
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收稿日期： (,,(-,/-(,
Байду номын сангаас
" 大部分的热量以热传导的形式从两固体的真实
（(） 接触面进行传递；
作者简介： 湛利华（%.*W-） ， 女， 湖南常德人， 博士研究生。
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术
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以热传导、 对流换 ! 还有一少部分热流通过间隙， 热、 辐射换热的形式传递。 但对于大部分的接触情况，间隙的高度相对于它 的接触尺寸而言要小得多，同时，由于间隙处或为真 空， 或为某种气体， 其热导率相当低， 因而在这种情况 下， 忽略间隙流体热传导和对流换热是合理的， 辐射换 热也可以忽略， 但在极高温的情况下， 辐射换热可以通 过对间隙中流体的导热系数取一个修正值加以考虑。 界面传热的影响因素很多， 且多为非线性因素， 工 况及使用条件多样化， 热变形、 接触状况等相互交替影 响， 产生耦合作用， 使问题变得更为复杂。 两固体材料接触时， 影响其界面传热的因素有： " 接触界 面 几 何 形 貌 ： 表面粗糙度， 表面波度， 接触表 面斜度， 接触粗糙体的形状、 尺寸大小以及数量的多 少； 加 载 历 史 ； #温 度 条 件 ： ! 载荷情况： 接 触 压 力 ， 接触表面平均温度， 热流密度及方向， 温度变化历史； 接触材料的热物理特性， 间隙媒质的热物 $ 材料特性： 接触界面有无相对滑动，接 理特性； % 界面接触情况： 触表面有无其他介质。
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实验结果及分析 通过分别对接触热阻影响因素进行实验研究， 并
在已有的实验数据的基础上， 利用参数估计方法， 同时 引 进 考 虑 热 流 损 失 时 的 平 均 换 热 系 数 修 正 法 :8; 对 实 验 数据进行处理。 （%） 接触表面温度对接触热导的影响 图 8 示出了接触热导与接触表面温度之间的变化 关系，从图 8 中可以看出接触热导随接触表面温度的 升高而增大。由于温度的改变， 两接触材料的导热系数 和固体材料的弹性模量、 硬度等热物性特性发生变化， 从而引起接触界面情况发生变化，导致界面接触热导 的改变。