接触热阻是由固体表面不完全接触所导致的热流收缩形成的接触换热附加阻力。接触热阻影响接触面的热流传递,进而影响温度场的分布。卫星在工作过程中要承受真空、冷黑及太阳辐照环境,在这种严酷的温度环境影响下,卫星内部各部分的热变形差异将影响卫星相关测量任务的准确性、灵敏度、分辨率甚至卫星的正常运行。因此,在真空、低温环境下,准确测量卫星内部组件常用接触对的接触热阻可为卫星内部传热控制和结构轻量化等方面提供重要依据,具有重要的应用价值。
目前针对接触热阻的研究有理论研究与试验测量两个方面。由于接触热阻受粗糙度、表面形貌、接触点变形特征、温度、面压力和导热填料等因素的影响,涉及几何、材料、力、传热等众多学科[1],虽可以从理论上解释接触热阻产生的机理[2],却仍无法得到可以准确预测各种接触对的可靠经验公式[3]。因此理论研究依赖于准确的试验测量,且只能用于参考,难以实际应用。试验测量是在实际问题中获取接触热阻更为直接和准确的方式。接触热阻的测量方式分为稳态法和瞬态法,其中稳态法虽耗时较长,但因其准确性高且计算简便而被广泛使用。研究者们对基于稳态法的接触热阻的测量进行了大量研究[4-6],测量方法较为成熟。但关于卫星内部组件常用的材料如铝合金、玻璃钢和聚酰亚胺等所构成的接触对在真空、低温环境下接触热阻的研究较少。
本文针对航空中常用的铝合金(5A06-H112)、玻璃钢(3240)和聚酰亚胺(YS20)3种材料,利用稳态法测量原理自主搭建了真空、低温条件下优化的材料接触热阻的测量装置,测量了不同温度和不同螺栓预紧力矩情况下的铝合金-铝合金、铝合金-玻璃钢和铝合金-聚酰亚胺3种接触对的接触热阻,并对测量结果进行对比分析,以期为接触热阻试验提供数据补充。
1 试验部分 1.1 试验原理稳态法原理为在相接触的两试件两端维持稳定的温度差,通过测量试件各测点温度值并外推得到接触面温度差,再将此温度差与接触面积、热流量等参数进行运算从而求得接触热阻。
为还原试件在卫星内部的实际工作情况,将试件加工成直径20 mm、高40 mm的圆柱状,其侧面带有按一定距离轴向分布的直径2 mm、深3 mm的3个测温孔。两试件轴向以平面接触,接触面粗糙度3.2 μm。试件的温度测点分布如图 1所示。
真空环境及多个隔热层的包裹使得空气热传导、空气对流传热及试件热辐射散热远小于沿试件轴向的接触传热,可以忽略,因此试验可以采用稳态测量法,按轴向一维导热问题计算接触热阻[7]。
由傅立叶定律得两相邻温度测点间的热流量Qi为
$ Q_{i}=\frac{K A \Delta T_{i}}{L_{i}} $ | (1) |
则通过接触面的平均热流量Q为
$ Q = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^4 {{Q_i}} }}{4} $ | (2) |
因此接触热阻R的计算公式为
$ R=\frac{A \Delta T}{Q} $ | (3) |
式中,K为被测温度下试件的热导率;A为接触面面积;ΔTi为试件上相邻两测点间的温度差;Li为测点间的距离;ΔT为接触面处的温度差。由零件各测点所测温度作曲线拟合并外推至接触面,可得到接触面在该零件一侧的温度,两侧温度之差即为ΔT。
1.2 试验装置与试验方案试验系统由真空罐、制冷装置、加热装置、夹紧装置、隔热层、温度采集系统等组成,如图 2所示。其中,真空罐可提供10-4 Pa的真空度,在此真空度下可忽略接触面间的空气对流传热[5];为实现制冷功能,在真空罐内设置液氮容器,由液氮提供低温环境;由于液氮温度远低于试验所需温度范围,为减轻加热装置的负担, 减少达到所需温度要耗费的时间,在试件与液氮容器间设置筒状阻热件进行缓冲,并用有限元仿真的方法得到阻热件的合理尺寸。加热装置为紫铜材料的加热片,安装在加热件的方槽中。夹紧装置由上、下两个扁圆柱体组成,包括6个均布的M4螺栓夹紧试件。为减少辐射散热,试验中采用多层镀铝涤纶作为隔热层对整个夹紧装置与液氮杜瓦进行包裹。温度采集系统由Pt100铂电阻温度计、康铜丝导线及温度仪组成,并由LABVIEW软件将电阻值转换为温度值。
试验时,连接好试验装置后,首先通过力矩扳手调整夹紧装置的预紧力矩,再将夹紧装置连同试件一起放入真空罐中。由于卫星中的零件是在室温条件下安装后送入太空的,因此先施加预紧力后抽真空并制冷可以模拟卫星的真实情况[8]。真空罐内的真空度稳定在10-4 Pa时,向液氮容器中注入液氮,并将加热片调整至试验温度所需功率后保持恒定,在液氮与恒定加热功率的共同作用下,待试件温度稳定后记录各测点处温度值。调整加热装置的加热功率可改变试件待测表面温度,进而得到不同温度下试件的接触热阻。改变螺栓预紧力,可以实现不同预紧力矩下接触热阻的测量。
2 试验结果与分析试验测量了真空度10-4 MPa,温度193~313 K,螺栓预紧力矩0.5 N·m、1.0 N·m、2.0 N·m条件下,铝合金-铝合金、铝合金-玻璃钢、铝合金-聚酰亚胺3组接触对轴向不同位置的温度值。由公式(1)~(3)计算得到的不同预紧力矩下3组接触热阻随温度变化曲线如图 3(a)~(c)所示。
由图 3可知,在本文的真空条件、试验温度和预紧力矩范围内,铝合金-铝合金接触对的接触热阻为3.75×10-5 ~2.09×10-4 (m2·K)/W,铝合金-玻璃钢接触对的接触热阻为7.82×10-4~3.05×10-3 (m2·K)/W, 铝合金-聚酰亚胺接触对的接触热阻为1.40×10-3~6.77×10-3 (m2·K)/W。铝合金-玻璃钢、铝合金-聚酰亚胺接触对的接触热阻远大于铝合金-铝合金接触对的接触热阻,说明玻璃钢与聚酰亚胺具有比铝合金更强的隔热能力。
在预紧力矩不变的情况下,3种接触对的接触热阻均随温度升高而减小,且铝合金-聚酰亚胺接触对的接触热阻变化最为显著。这是由于温度升高导致材料的热导率升高,且由于试件与紧固件的热胀系数不同,温度升高时界面接触质量的提高也会导致通过接触面的热流收缩,因此接触热阻减小。
以温度为218.15 K时3种接触对的接触热阻为例,3种接触对的接触热阻随预紧力矩的变化如图 4所示。由图可知,在温度不变的前提下,3种接触对的接触热阻均随预紧力矩的增大而减小,原因是预紧力矩增大,接触面变形导致接触面积增大,热流的阻碍作用减小,从而减小了接触热阻;且由于3种材料中聚酰亚胺的硬度最小,导致3组接触对中铝合金-聚酰亚胺间的接触质量受预紧力矩影响最为明显,因此该接触对的接触热阻随预紧力矩变化最为明显。
本文自行搭建了一套基于稳态法测量卫星常用材料间接触热阻的优化测量平台,测量了真空、低温环境下,航天中常用材料(铝合金、玻璃钢和聚酰亚胺)接触面的接触热阻。对几种材料的接触热阻与温度、预紧力矩之间关系的研究结果表明,在本文的真空条件、试验温度和预紧力矩范围内,铝合金-铝合金接触对的接触热阻为3.75×10-5 ~2.09×10-4 (m2·K)/W,铝合金-玻璃钢接触对的接触热阻为7.82×10 -4~3.05×10-3 (m2·K)/W, 铝合金-聚酰亚胺接触对的接触热阻为1.40×10-3~6.77×10-3 (m2·K)/W。玻璃钢与聚酰亚胺的隔热性能优于铝合金。3种接触对的接触热阻均随温度升高而减小,随螺栓预紧力矩的增大而减小。
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