微尺度傳熱的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

吳敏

摘要：由于納米材料、微電子機(jī)械系統(tǒng)、生物芯片等技術(shù)的誕生和深入發(fā)展，器件的尺寸已經(jīng)進(jìn)入到微/納米尺度。由于量子效應(yīng)、界面效應(yīng)，使得微尺度傳熱的機(jī)理與傳統(tǒng)尺度傳熱的機(jī)理有明顯的不同。人們通過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)展了波爾茲曼傳輸方程，分子動(dòng)力學(xué)等方法，取得了一定的效果。本文著重從實(shí)驗(yàn)研究的角度出發(fā)，對(duì)微尺度傳熱研究的進(jìn)展做總結(jié)。

關(guān)鍵詞：微尺度;傳熱;熱導(dǎo)率

1 引言

進(jìn)入90年代以來(lái)，微/納米技術(shù)的發(fā)展很快隨著器件的構(gòu)件尺寸的進(jìn)一步減小，微/納米激光加工的特征時(shí)間縮短，都進(jìn)一步對(duì)傳統(tǒng)的流體力學(xué)和傳熱學(xué)提出了挑戰(zhàn)，迫切要求弄清空間和時(shí)間微細(xì)尺度條件下流動(dòng)和傳熱的特點(diǎn)和規(guī)律，因此國(guó)際上逐步形成了一個(gè)微細(xì)尺度傳熱的新的分支學(xué)科。例如，1997年，國(guó)際傳熱傳質(zhì)中心首次召開微傳熱的國(guó)際會(huì)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(guó)召開了微尺度傳熱的學(xué)術(shù)討論會(huì)。1997年1月美國(guó)還出版了以為Professor C.L.Tien主編的微尺度熱物理工程的學(xué)術(shù)刊物。這些都表明了世界正在形成微細(xì)傳熱這個(gè)新的學(xué)科分支。進(jìn)入21世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將在很大程度上建立在微小器件的基礎(chǔ)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(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 微尺度傳熱的特點(diǎn)

微尺度當(dāng)尺度微細(xì)化后，其流動(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，即會(huì)出現(xiàn)了流動(dòng)和傳熱的尺度效應(yīng)。微細(xì)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可以分為兩大類：（1）當(dāng)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(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，Navier-Stokes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(lái)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。

3 微尺度傳熱的主要研究方向[6，7]

微細(xì)尺度傳熱研究的主要方向有如下幾樣：

（1）熱傳導(dǎo)：介電材料薄膜內(nèi)的熱傳導(dǎo)、金屬薄膜內(nèi)的導(dǎo)熱與膜厚度的關(guān)系、邊界電子散射的影響、超導(dǎo)材料薄膜導(dǎo)熱率與材料種類、膜厚、溫度的關(guān)系等等。眾所周知， 導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的一種輸運(yùn)性質(zhì)，它與物體的尺寸大小無(wú)關(guān)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)和理論研究表明， 當(dāng)物體尺寸減小，例如薄膜的厚度小到一定程度時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)降低，有的甚至可降低個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)熱體甚至變成絕熱體。導(dǎo)熱系數(shù)尺度效應(yīng)的物理機(jī)制來(lái)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)，二是導(dǎo)熱能力與材料中晶粒大小有關(guān)，當(dāng)尺寸減小時(shí)，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(yùn)能力差，導(dǎo)熱能力也就下降。

（2）對(duì)流換熱：微細(xì)結(jié)構(gòu)表面及微槽管和微孔隙多孔材料中的流動(dòng)和有/無(wú)相變時(shí)的傳熱傳質(zhì)，薄液膜流動(dòng)單相與蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)及穩(wěn)定性的研究，相變過程界面?zhèn)鬏斕匦耘c兩相流、相間分布特性的微細(xì)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(yīng)用基礎(chǔ)研究與技術(shù)開發(fā)等等。

（3）熱輻射：輻射性質(zhì)與微尺度的關(guān)系，幾何光學(xué)區(qū)、電磁微尺度區(qū)、電子傳輸微尺度區(qū)、量子尺寸區(qū)的輻射特性，微尺度輻射與傳統(tǒng)幾何光學(xué)區(qū)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(nèi)的輻射熱傳輸?shù)鹊取?/p>

（4）相變傳熱：壁面上蒸發(fā)液滴內(nèi)部的微對(duì)流現(xiàn)象，液體表面蒸發(fā)與凝結(jié)分子動(dòng)力學(xué)，生物材料的微冷凍過程等。

（5）微重力傳熱傳質(zhì)：微、零重力環(huán)境下的流動(dòng)與對(duì)流換熱，微、零重力環(huán)境下相變（沸騰、凝結(jié)和熔化、凝固）換熱機(jī)理，微、零重力環(huán)境下傳熱傳質(zhì)的地面模擬實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

4 微尺度傳熱的實(shí)驗(yàn)研究

4.1 熱導(dǎo)率的測(cè)量

近些年來(lái)，人們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了薄膜的熱導(dǎo)率與其他材料相比有很大的不同。目前已經(jīng)發(fā)展了多種薄膜熱導(dǎo)率的測(cè)量方法：靜態(tài)法[8]，法[9]，瞬態(tài)反射測(cè)量法，掃描熱顯微鏡技術(shù)，光熱偏轉(zhuǎn)法，紅外成像技術(shù)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(cè)量了CVD氮化硅薄膜導(dǎo)熱率。實(shí)驗(yàn)中，薄膜的導(dǎo)熱率隨著膜厚的增加而增加。然而1995年，Xiang Zhang等人對(duì)厚度為1.4和0.6的氮化硅薄膜采用靜態(tài)法測(cè)量，結(jié)果卻是厚度為0.6的薄膜熱導(dǎo)率要比1.4的熱導(dǎo)率要大。1997年Govorkov等人利用微分光聲法研究了電子束蒸發(fā)薄膜熱導(dǎo)率和膜厚的關(guān)系，也出現(xiàn)了熱導(dǎo)率隨膜厚的增大而增大的現(xiàn)象。同年，Lee等人利用法測(cè)量了PECVD生成的不同厚度的薄膜的縱向熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)表明薄膜的熱導(dǎo)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(shí)候，熱導(dǎo)率無(wú)明顯變化。 Bhusari等人利用熱波延遲法測(cè)量了玻璃、硅和銅薄膜的熱導(dǎo)率，出現(xiàn)了熱導(dǎo)率隨薄膜增大而增大的現(xiàn)象。

4.2 熱物性參數(shù)測(cè)量

（1）交流量熱法：以調(diào)制激光作為熱源，采用熱電偶作為測(cè)溫元件的交流量熱法已廣泛用于測(cè)量薄膜的熱擴(kuò)散率。按加熱方式可分為均勻光照法、線形光照法和點(diǎn)光照法，其中均勻光照法使用較多。在測(cè)量超薄薄膜垂直方向的熱擴(kuò)散率時(shí)，由于薄膜很薄，在厚度方向上的熱擴(kuò)散時(shí)間很短（級(jí)），要求測(cè)溫器的響應(yīng)要足夠快。Chen等于1994年改進(jìn)了交流量熱，他們以高響應(yīng)速度的溫敏電阻取代了常用的熱電偶作測(cè)溫器來(lái)測(cè)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(kuò)散率，這有利于觀察由表面效應(yīng)和邊界效應(yīng)引起的熱擴(kuò)散率的各向異性。

（2）量熱法：Cahill等人將量熱法應(yīng)用于薄膜的縱向熱導(dǎo)率測(cè)量，并驗(yàn)證了該方向的可靠性。法以直接沉積于待測(cè)薄膜樣品表面的金屬條作為加熱器和測(cè)溫器。對(duì)金屬條加電流，將產(chǎn)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(cè)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(dǎo)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(shí)觀測(cè)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(jié)合法，可以得到樣品的熱導(dǎo)率，空間分辨率可達(dá)30 nm。

4.3 微尺度傳熱的實(shí)驗(yàn)研究

4.3.1 金屬納米薄膜微尺度熱輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)研究

這一實(shí)驗(yàn)就中國(guó)科學(xué)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(cè)技術(shù)對(duì)金屬納米薄膜微尺度能量輸運(yùn)過程進(jìn)行了研究。在泵浦一探測(cè)系統(tǒng)中，兩束激光一起對(duì)測(cè)量樣品進(jìn)行照射，其中一束光用來(lái)加熱樣品，叫做泵浦光;另外一束激光用來(lái)探測(cè)信號(hào)，叫做探測(cè)光。探測(cè)光相對(duì)泵浦光有一個(gè)精確設(shè)定的時(shí)間延遲。圖1是他們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖片。

脈沖激光從激光器出后，首先經(jīng)過一個(gè)起偏器，使本來(lái)水平方向的激光在垂直方向上有一定的分量。通過調(diào)節(jié)起偏器的角度，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分量強(qiáng)度之比。經(jīng)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(qiáng)較強(qiáng)的一束激光用來(lái)加熱樣品，為泵浦光。它經(jīng)過聲光調(diào)制器，被頻率為1MHz，占空比為5：5的方波信號(hào)調(diào)制，剩余能量約為20mW。最后經(jīng)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(qiáng)較弱的那束激光用來(lái)探測(cè)樣品表面反射率的微弱變化，為探測(cè)光其強(qiáng)度大約只有泵浦光的1/10，相對(duì)泵浦光很弱，所以不會(huì)干擾泵浦光的加熱過程。測(cè)光被安置在移動(dòng)平臺(tái)上的反射鏡所反射，這樣一來(lái)， 通過移動(dòng)平臺(tái)改變反射鏡的位置就可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)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(dǎo)致探測(cè)光相對(duì)于泵浦光的滯后時(shí)間的變化。他們利用這套實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量了納米金屬薄膜在一個(gè)脈寬為140fs的激光脈沖作用后，其非平衡電子溫度在幾個(gè)皮秒內(nèi)隨時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型模擬結(jié)果吻合良好。

4.3.2 矩形微槽乙醇水溶液傳熱特性

這一實(shí)驗(yàn)研究是由北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院的席有民等人完成的，在實(shí)驗(yàn)中，他們采用有限體積法對(duì)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(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

矩形微槽采用兩種不同對(duì)稱結(jié)構(gòu)和熱邊界條件，進(jìn)口采用流動(dòng)完全發(fā)展邊界條件。對(duì)不同對(duì)稱結(jié)構(gòu)和物性條件（常物性和變物性）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。 研究表明，對(duì)所研究微槽結(jié)構(gòu)和工質(zhì)，采用流動(dòng)完全發(fā)展進(jìn)口條件，以及隨溫度變化的熱物性參數(shù)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。實(shí)驗(yàn)的壁溫?fù)Q熱系數(shù)與壁溫?zé)崃髅芏惹€如圖3，圖4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果仍然在不確定結(jié)果范圍內(nèi)。

4.3.3 其他關(guān)于微尺度傳熱的實(shí)驗(yàn)研究

前人已經(jīng)在微尺度傳熱領(lǐng)域做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，王補(bǔ)宜等人對(duì)甲醇沿刻有矩形微槽表面的平板流動(dòng)沸騰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了單相對(duì)流直到臨界沸騰的特性曲線，分析了流速、過冷度和微槽結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱特性、沸騰狀態(tài)以及臨界熱負(fù)荷的影響。李世崗等[11]研究了不同間隙尺寸下浸沒深度對(duì)弦月形狹縫微膜蒸發(fā)通道內(nèi)液氮的熱虹吸沸騰換熱特性的影響，結(jié)果表明通道內(nèi)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(nèi)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(nèi)的受迫流動(dòng)沸騰傳熱。通道內(nèi)的傳熱與流動(dòng)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(huì)影響兩相流流體進(jìn)口流量、空隙率及流型。姜明健[12]等通過試驗(yàn)研究流動(dòng)阻力和換熱強(qiáng)度獲得了水在微尺度槽道中的單相換熱特性，發(fā)現(xiàn)在微尺度槽道中流體單相流動(dòng)換熱性能明顯高于常規(guī)尺度槽道，而阻力系數(shù)低于常規(guī)槽道。得到了微尺度槽道的尺寸、結(jié)構(gòu)形狀和流體流動(dòng)均勻性對(duì)流動(dòng)和換熱的影響規(guī)律。

5 總結(jié)與展望

21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)的基石將在很大程度上建立在微小器件的基礎(chǔ)之上，而微細(xì)尺度傳熱學(xué)正是微尺度科學(xué)中最新和重要的學(xué)科分支之一，它具有廣闊的工程應(yīng)用背景，并備受眾多領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。微細(xì)尺度傳熱學(xué)是交叉于熱科學(xué)、物理、電子、器件、機(jī)械、材料、化工、生物醫(yī)學(xué)工程、儀表、生物信息與控制等諸多領(lǐng)域的一個(gè)新成長(zhǎng)點(diǎn)。目前微細(xì)尺度傳熱的研究重點(diǎn)主要集中在：不同材料間界面熱阻熱導(dǎo)率的計(jì)算、硅薄膜及相關(guān)結(jié)構(gòu)的傳熱計(jì)算、模擬一維納米結(jié)構(gòu)的聲子輸運(yùn)性質(zhì)、計(jì)算各種納米尺度聚合物、無(wú)定型材料、多孔材料以及超晶格結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率等方面。雖然微細(xì)尺度傳熱的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)受到了大家的重視。但仍需要各國(guó)的專家學(xué)者去研究和探討，并將理論研究成果應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周兆英， 尤政.微型系統(tǒng)和微型制造技術(shù).微米納米科學(xué)與技術(shù).1996.2（1）：1～11

[2] Tanasawa I Nishio S，Editors.Proceedings of International Symposium On Molecular and Microscale Heat Transfer in Materials Processing and Other Applications.Japan，1997

[3] 李淑芬等.對(duì)我國(guó)“細(xì)微尺度傳熱學(xué)”發(fā)展戰(zhàn)略的建議.中國(guó)科學(xué)基金，1996;3：108-111

[4] 辛明道.微傳輸現(xiàn)象與微傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論的確立.國(guó)際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，1997;2：43-44，58

[5] Kieiner M B，Kuhn S A，Weber W.IEEE Trans.Electron Devices，1996，43：1602-1609

[6] Song D W，Liu W L.Zeng T，et al.Appl.phys.Lett，2000，77（23）：3854-3856

[7] 姜明健，羅曉惠，劉偉力.水在微尺度槽道中單相流動(dòng)和換熱研究[ J ]. 北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)， 1998， 12 （1） ： 71 – 75

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

[9] 姜明健等.水在微尺度槽道中單相流動(dòng)和換熱研究.北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，1998;12（1）：71-75