微尺度傳熱的實驗研究進展

吳敏

摘要：由于納米材料、微電子機械系統、生物芯片等技術的誕生和深入發展，器件的尺寸已經進入到微/納米尺度。由于量子效應、界面效應，使得微尺度傳熱的機理與傳統尺度傳熱的機理有明顯的不同。人們通過大量的理論研究和實驗研究，發展了波爾茲曼傳輸方程，分子動力學等方法，取得了一定的效果。本文著重從實驗研究的角度出發，對微尺度傳熱研究的進展做總結。

關鍵詞：微尺度;傳熱;熱導率

1 引言

進入90年代以來，微/納米技術的發展很快隨著器件的構件尺寸的進一步減小，微/納米激光加工的特征時間縮短，都進一步對傳統的流體力學和傳熱學提出了挑戰，迫切要求弄清空間和時間微細尺度條件下流動和傳熱的特點和規律，因此國際上逐步形成了一個微細尺度傳熱的新的分支學科。例如，1997年，國際傳熱傳質中心首次召開微傳熱的國際會議（International Symposium On Molecular and Microscale Heat Transfer in Materials Processing and Other Applications）[5]， 1998年7月歐洲在法國召開了微尺度傳熱的學術討論會。1997年1月美國還出版了以為Professor C.L.Tien主編的微尺度熱物理工程的學術刊物。這些都表明了世界正在形成微細傳熱這個新的學科分支。進入21世紀，世界經濟的發展將在很大程度上建立在微小器件的基礎之上，因此微尺度傳熱的研究愈加重要，其研究成果將直接影響世界的經濟發展。

2 微尺度傳熱的特點

微尺度當尺度微細化后，其流動和傳熱的規律已明顯不同于常規尺度條件下的流動和傳熱現象，即會出現了流動和傳熱的尺度效應。微細尺度的流動和傳熱與常規尺度的流動和傳熱的不同的原因可以分為兩大類：（1）當物體的特征尺寸縮小至與載體粒子（分子、原子、電子、光子等）的平均自由程同一量級時，基于連續介質概念的一些宏觀概念和規律就不再適用，粘性系數、導熱系數等概念要重新討論，Navier-Stokes方程和導熱方程等也不再適用。（2）物體的特征尺寸遠大于載體粒子的平均自由程，即連續介質的假定仍能成立，但是由于尺度的微細，使原來的各種影響因數的相對重要性發生了變化，從而導致流動和傳熱規律的變化。

3 微尺度傳熱的主要研究方向[6，7]

微細尺度傳熱研究的主要方向有如下幾樣：

（1）熱傳導：介電材料薄膜內的熱傳導、金屬薄膜內的導熱與膜厚度的關系、邊界電子散射的影響、超導材料薄膜導熱率與材料種類、膜厚、溫度的關系等等。眾所周知， 導熱系數是物質的一種輸運性質，它與物體的尺寸大小無關。現有實驗和理論研究表明， 當物體尺寸減小，例如薄膜的厚度小到一定程度時，其導熱系數就會降低，有的甚至可降低個數量級，導熱體甚至變成絕熱體。導熱系數尺度效應的物理機制來自于兩個方面，一是與導熱問題中的特征長度有關，二是導熱能力與材料中晶粒大小有關，當尺寸減小時，由于工藝等方面的因素，晶粒尺寸也隨之減小，由于晶粒界面增大，所以輸運能力差，導熱能力也就下降。

（2）對流換熱：微細結構表面及微槽管和微孔隙多孔材料中的流動和有/無相變時的傳熱傳質，薄液膜流動單相與蒸發傳熱傳質及穩定性的研究，相變過程界面傳輸特性與兩相流、相間分布特性的微細研究，微尺度換熱與微加熱器、微型熱管、超高緊湊換熱器等的應用基礎研究與技術開發等等。

（3）熱輻射：輻射性質與微尺度的關系，幾何光學區、電磁微尺度區、電子傳輸微尺度區、量子尺寸區的輻射特性，微尺度輻射與傳統幾何光學區輻射的偏離，薄膜、微槽表面的熱輻射特性及其制造過程中的熱控制，微多孔材料內的輻射熱傳輸等等。

（4）相變傳熱：壁面上蒸發液滴內部的微對流現象，液體表面蒸發與凝結分子動力學，生物材料的微冷凍過程等。

（5）微重力傳熱傳質：微、零重力環境下的流動與對流換熱，微、零重力環境下相變（沸騰、凝結和熔化、凝固）換熱機理，微、零重力環境下傳熱傳質的地面模擬實驗方法與實驗技術。

4 微尺度傳熱的實驗研究

4.1 熱導率的測量

近些年來，人們已經通過實驗發現并證實了薄膜的熱導率與其他材料相比有很大的不同。目前已經發展了多種薄膜熱導率的測量方法：靜態法[8]，法[9]，瞬態反射測量法，掃描熱顯微鏡技術，光熱偏轉法，紅外成像技術及全息干涉法，微分光聲法，熱波延遲法等等。1994年，Griffin等人在100溫度下，測量了CVD氮化硅薄膜導熱率。實驗中，薄膜的導熱率隨著膜厚的增加而增加。然而1995年，Xiang Zhang等人對厚度為1.4和0.6的氮化硅薄膜采用靜態法測量，結果卻是厚度為0.6的薄膜熱導率要比1.4的熱導率要大。1997年Govorkov等人利用微分光聲法研究了電子束蒸發薄膜熱導率和膜厚的關系，也出現了熱導率隨膜厚的增大而增大的現象。同年，Lee等人利用法測量了PECVD生成的不同厚度的薄膜的縱向熱導率。實驗表明薄膜的熱導率均隨著薄膜的厚度增大而增大，但在薄膜厚度大于100nm的時候，熱導率無明顯變化。 Bhusari等人利用熱波延遲法測量了玻璃、硅和銅薄膜的熱導率，出現了熱導率隨薄膜增大而增大的現象。

4.2 熱物性參數測量

（1）交流量熱法：以調制激光作為熱源，采用熱電偶作為測溫元件的交流量熱法已廣泛用于測量薄膜的熱擴散率。按加熱方式可分為均勻光照法、線形光照法和點光照法，其中均勻光照法使用較多。在測量超薄薄膜垂直方向的熱擴散率時，由于薄膜很薄，在厚度方向上的熱擴散時間很短（級），要求測溫器的響應要足夠快。Chen等于1994年改進了交流量熱，他們以高響應速度的溫敏電阻取代了常用的熱電偶作測溫器來測量溫度波幅度和相位，因而能分別得到薄膜平行和垂直方向的熱擴散率，這有利于觀察由表面效應和邊界效應引起的熱擴散率的各向異性。

（2）量熱法：Cahill等人將量熱法應用于薄膜的縱向熱導率測量，并驗證了該方向的可靠性。法以直接沉積于待測薄膜樣品表面的金屬條作為加熱器和測溫器。對金屬條加電流，將產生角頻率為的溫度波，因而金屬條電阻也以頻率變化，電壓U=IR，角頻率則為，測電阻電壓的三次諧波就能得到溫度波的幅度與相位，從而求出樣品的熱導率以及熱容。

（3）掃描熱探針顯微鏡：掃描熱探針顯微鏡（SThM ）通過將溫敏器件制作在高分辨率的顯微鏡的探針末端，可以同時觀測樣品的形貌和溫度分布。例如，用微型溫敏電阻作為原子力顯微鏡（AFM）的探針針尖，溫敏電阻既是加熱器又是量熱器，再結合法，可以得到樣品的熱導率，空間分辨率可達30 nm。

4.3 微尺度傳熱的實驗研究

4.3.1 金屬納米薄膜微尺度熱輸運的實驗研究

這一實驗就中國科學院工程熱物理研究所，韓鵬，唐大偉等人做的。他們采用飛秒激光泵浦-探測技術對金屬納米薄膜微尺度能量輸運過程進行了研究。在泵浦一探測系統中，兩束激光一起對測量樣品進行照射，其中一束光用來加熱樣品，叫做泵浦光;另外一束激光用來探測信號，叫做探測光。探測光相對泵浦光有一個精確設定的時間延遲。圖1是他們的實驗系統圖片。

脈沖激光從激光器出后，首先經過一個起偏器，使本來水平方向的激光在垂直方向上有一定的分量。通過調節起偏器的角度，來實現兩個分量強度之比。經過偏振分光梭鏡，激光分為兩束方向垂直的偏振光，其中光強較強的一束激光用來加熱樣品，為泵浦光。它經過聲光調制器，被頻率為1MHz，占空比為5：5的方波信號調制，剩余能量約為20mW。最后經過聚焦透鏡聚焦在樣品表面上，光斑直徑在100左右。另外光強較弱的那束激光用來探測樣品表面反射率的微弱變化，為探測光其強度大約只有泵浦光的1/10，相對泵浦光很弱，所以不會干擾泵浦光的加熱過程。測光被安置在移動平臺上的反射鏡所反射，這樣一來， 通過移動平臺改變反射鏡的位置就可以實現探測光和泵浦光之間光程差的變化。兩者之間光程差的變化， 就可以導致探測光相對于泵浦光的滯后時間的變化。他們利用這套實驗設備測量了納米金屬薄膜在一個脈寬為140fs的激光脈沖作用后，其非平衡電子溫度在幾個皮秒內隨時間的變化。其后分別用一步拋物模型、兩步拋物模型以及雙相滯模型和實驗結果相比較，結果表明，實驗結果與模型模擬結果吻合良好。

4.3.2 矩形微槽乙醇水溶液傳熱特性

這一實驗研究是由北京航空航天大學航空科學與工程學院的席有民等人完成的，在實驗中，他們采用有限體積法對如圖2所示的矩形微槽[10]中體積濃度為30%的乙醇水溶液傳熱特性進行了三維數值模擬。

矩形微槽采用兩種不同對稱結構和熱邊界條件，進口采用流動完全發展邊界條件。對不同對稱結構和物性條件（常物性和變物性）的計算結果進行了比較，并與實驗結果進行了對比。 研究表明，對所研究微槽結構和工質，采用流動完全發展進口條件，以及隨溫度變化的熱物性參數，數值計算結果與實驗結果基本吻合。實驗的壁溫換熱系數與壁溫熱流密度曲線如圖3，圖4所示，實驗結果與計算結果仍然在不確定結果范圍內。

4.3.3 其他關于微尺度傳熱的實驗研究

前人已經在微尺度傳熱領域做了大量的實驗研究，王補宜等人對甲醇沿刻有矩形微槽表面的平板流動沸騰特性進行了實驗研究，獲得了單相對流直到臨界沸騰的特性曲線，分析了流速、過冷度和微槽結構對傳熱特性、沸騰狀態以及臨界熱負荷的影響。李世崗等[11]研究了不同間隙尺寸下浸沒深度對弦月形狹縫微膜蒸發通道內液氮的熱虹吸沸騰換熱特性的影響，結果表明通道內流體流量隨浸沒度的變化而變化，并影響其換熱性能。狹縫通道內的熱虹吸沸騰傳熱不同于大空間池沸騰傳熱，也有別于通常管道內的受迫流動沸騰傳熱。通道內的傳熱與流動過程是耦合的，傳熱因素如熱流密度、氣泡生成頻率及脫離直徑等均會影響兩相流流體進口流量、空隙率及流型。姜明健[12]等通過試驗研究流動阻力和換熱強度獲得了水在微尺度槽道中的單相換熱特性，發現在微尺度槽道中流體單相流動換熱性能明顯高于常規尺度槽道，而阻力系數低于常規槽道。得到了微尺度槽道的尺寸、結構形狀和流體流動均勻性對流動和換熱的影響規律。

5 總結與展望

21世紀世界經濟的基石將在很大程度上建立在微小器件的基礎之上，而微細尺度傳熱學正是微尺度科學中最新和重要的學科分支之一，它具有廣闊的工程應用背景，并備受眾多領域專家的關注。微細尺度傳熱學是交叉于熱科學、物理、電子、器件、機械、材料、化工、生物醫學工程、儀表、生物信息與控制等諸多領域的一個新成長點。目前微細尺度傳熱的研究重點主要集中在：不同材料間界面熱阻熱導率的計算、硅薄膜及相關結構的傳熱計算、模擬一維納米結構的聲子輸運性質、計算各種納米尺度聚合物、無定型材料、多孔材料以及超晶格結構的熱導率等方面。雖然微細尺度傳熱的理論研究和實驗研究已經受到了大家的重視。但仍需要各國的專家學者去研究和探討，并將理論研究成果應用到工程實踐中去。

參考文獻：

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[8] 李世崗，陳流芳，張華等.微膜蒸發通道中液氮的熱虹吸沸騰傳熱特性.西安交通大學學報，1999;33（4）：1-6

[9] 姜明健等.水在微尺度槽道中單相流動和換熱研究.北京聯合大學學報，1998;12（1）：71-75