[科普中國(guó)]-微尺度傳熱

微尺度傳熱產(chǎn)生的背景及發(fā)展

早期的微尺度傳熱學(xué)研究主要集中在導(dǎo)熱問題上，之后則擴(kuò)展到輻射和對(duì)流問題2。關(guān)于微尺度下熱導(dǎo)率依賴于材料厚度的認(rèn)識(shí)追溯到20世紀(jì)30年代，且最早是由物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到的：20世紀(jì)60年代后期，熱物理學(xué)家(其中尤以美國(guó)加州大學(xué)的舊反霖教授為代表)開始注意到一系列工程器件中的傳熱問題的尺寸效應(yīng)，于是微尺度傳熱學(xué)俏然興起，特別到80年代后期進(jìn)展更為迅速。因此，對(duì)于所有微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的設(shè)計(jì)及應(yīng)用來說，全面了解系統(tǒng)在特定尺度內(nèi)的微機(jī)電性質(zhì)及材料的熱物性、熱行為等已經(jīng)成為邊在眉睫的任務(wù)；于是現(xiàn)代熱科學(xué)中的一門嶄新學(xué)科——微米/納米尺度傳熱學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。1997 年國(guó)際傳熱傳質(zhì)中心首次召開了微傳熱的國(guó)際會(huì)議,成為微尺度傳熱這一學(xué)科正式建立的標(biāo)志3。

其原因可以分為兩大類一類是連續(xù)介質(zhì)的假定不再適用,另一類則是各種作用力的相對(duì)重要性發(fā)生了變化所需研究的挑戰(zhàn)性問題有, 導(dǎo)熱系數(shù)的尺度效應(yīng)、導(dǎo)熱的波動(dòng)現(xiàn)象, 微小通道中流動(dòng)和傳熱, 流動(dòng)壓縮性和界面效應(yīng)等的影響, 微細(xì)尺度下的輻射和相變等。

目前大部分的文章探討了激光脈沖加熱的金屬薄膜,或是對(duì)半導(dǎo)體等薄膜材料的研究和集中于某種材料的制備方法和應(yīng)用的研究,如若對(duì)非金屬薄膜材料的傳熱機(jī)理加以研究, 將使體積和重量不斷減少的半導(dǎo)體微尺度器件促成一些新的工程應(yīng)用, 開辟新的市場(chǎng),并為有關(guān)基礎(chǔ)探索提供了嶄新的研究手段4。

微尺度傳熱的特點(diǎn)微細(xì)尺度傳熱學(xué)是近些年形成的一個(gè)新的學(xué)科分支，主要研究空間尺度和時(shí)間尺度微細(xì)情況下的傳熱學(xué)規(guī)律1。當(dāng)尺度微細(xì)化后，其動(dòng)和傳熱的規(guī)律已明顯不同于常規(guī)尺度條件下的流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象，換言之，當(dāng)研究對(duì)象微細(xì)到一定程度以后 ,出現(xiàn)了流動(dòng)和傳熱的尺度效應(yīng)?！拔⒓?xì)”只是一個(gè)相對(duì)的概念 ,而不是指某一特定尺度。不同的場(chǎng)合會(huì)有不同的定義。所謂“微尺度”并沒有嚴(yán)格的界定,只是一個(gè)相對(duì)大小的概念，它不僅包括空間尺度，還包括時(shí)間尺度。隨著研究對(duì)象的不同,出現(xiàn)微尺度效應(yīng)的時(shí)空尺度范圍也不相同。通常所指的空間微尺度是跨越微米到原子尺度的寬廣范圍:

- 微米- 亞微米- 納米- 團(tuán)簇- 原子-

其中微米范圍的上限是在100μm 以下,而亞微米通常定義為0. 1μm 以下至nm 之間。團(tuán)簇一般定義為尺度為1nm 以下的原子聚合體,由幾個(gè)到幾百個(gè)原子構(gòu)成。在亞微米和團(tuán)簇之間的1nm～100nm 范圍是納米體系所在處。目前集成電路的特征線條尺寸已進(jìn)入納米范圍。通常所說的時(shí)間微尺度的范圍是:

- ns (10 - 9s) – ps ( 10 - 12s) -fs (10 - 15s) -

其中ns 是目前數(shù)字系統(tǒng)如計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘脈沖寬度的量級(jí)。

與常規(guī)尺度的流動(dòng)和傳熱比較

微尺度的流動(dòng)和傳熱與常規(guī)尺度的流動(dòng)和傳熱的不同的原因：

（1）當(dāng)物體的特征尺寸縮小至與載體粒子的平均自由程同一量級(jí)時(shí)，基于連續(xù)介質(zhì)概念的一些宏觀概念和規(guī)律就不再適用，粘性系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等概念要重新討論 , N-S方程和導(dǎo)熱方程等也不再適用。

（2）物體的特征尺寸遠(yuǎn)大于載體粒子的平均自由程，即連續(xù)介質(zhì)的假定仍能成立,但是由于尺度的微細(xì),使原來的各種影響因數(shù)的相對(duì)重要性發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致流動(dòng)和傳熱規(guī)律的變化5。

微尺度導(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)的尺度效應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)的尺度效應(yīng)的物理機(jī)制來自于兩個(gè)方面：一是與導(dǎo)熱問題中的特征長(zhǎng)度有關(guān)；另一方面導(dǎo)熱能力與材料中晶粒大小有關(guān)，當(dāng)尺寸減小時(shí)，晶粒尺寸會(huì)隨之減小，由于晶粒界面增大，所以輸運(yùn)能力減弱，導(dǎo)熱系數(shù)降低2。

導(dǎo)熱的波動(dòng)效應(yīng)研究導(dǎo)熱問題時(shí)，最常用的是傅立葉定律，即熱流與溫度梯度成正比，然而 ,在研究快速瞬態(tài)導(dǎo)熱時(shí),發(fā)現(xiàn)傅立葉定律不再適用，此時(shí)熱量溫度傳播是以波動(dòng)方式傳播，這與基于傅立葉定律的拋物型導(dǎo)熱方程所闡述的的能量傳遞方式有很大不同。

導(dǎo)熱的輻射效應(yīng)電子器件和電子封裝中的介電薄膜材料的導(dǎo)熱行為可能產(chǎn)生異常情況，當(dāng)膜厚很小時(shí)，可以用輻射傳遞問題來分析和討論晶格振動(dòng)。

微尺度流動(dòng)和對(duì)流換熱（1）流動(dòng)阻力規(guī)律與常規(guī)尺寸條件下的不同1。

（2）充分發(fā)展通道流的阻力因子與雷諾數(shù)的乘積不再是常數(shù)，而應(yīng)是雷諾數(shù)的函數(shù)。

（3）微細(xì)通道湍流的 Nu比常規(guī)情況高

（4）微細(xì)通道流傳熱數(shù)據(jù)很分散

（5）微細(xì)通道層流向湍流過渡的雷諾數(shù)減小

影響微細(xì)流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的某些因素：

（1）流體的壓縮性

由于微細(xì)通道內(nèi)壓力降很大，導(dǎo)致流體密度沿程有明顯的變化，所以必須考慮流體的壓縮性，它不僅會(huì)形成加速壓降，而且還將改變速度剖面。

（2）界面效應(yīng)

在微細(xì)管道中液體表面張力將起更為重要的影響，此外，由于固壁有時(shí)帶靜電,液體可以有極性 ，靜電場(chǎng)的存在會(huì)阻礙液體中離子的運(yùn)動(dòng)，從而使液體流動(dòng)阻力增加，同時(shí)對(duì)微細(xì)管道中傳熱也會(huì)有重要影響。

（3）氣體稀薄效應(yīng)

當(dāng)努曾數(shù)kn《1，連續(xù)介質(zhì)區(qū)；0.01