航天器用界面導熱填料應用狀態(tài)接觸傳熱系數(shù)分析

韓崇巍 金迪 楊居翰 趙啟偉 張旸 李文君 杜卓林

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

導熱填料是固-固界面?zhèn)鳠釓娀奶畛洳牧?在航天器各個組件的熱連接中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。目前,國內(nèi)航天器使用最普遍的是RKTL-DRZ-1型導熱脂,但其具有易爬油的缺點[1],在對可凝揮發(fā)物、油類等敏感的設(shè)備上(如微波開關(guān)、光學部件等)限制使用。此外,隨著航天器上高熱耗、高熱流密度設(shè)備的增多,RKTL-DRZ-1型導熱脂對界面接觸傳熱的改善效果已漸顯不足。為適應航天器對熱控設(shè)計的不同需求,國內(nèi)針對性開發(fā)了2款航天器用導熱填料,主要包括提高界面接觸傳熱系數(shù)的改進型產(chǎn)品RKTL-DRZ-2型導熱脂,以及改善爬油情況的RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠[2]。

對導熱填料接觸傳熱系數(shù)的測量,一般是按標準方法(一維穩(wěn)態(tài)熱流法)對樣品進行測試,但這種方法采用的是小面積試件(Ф25mm、厚度0.1mm),且是在均勻壓力條件下測量,而工程實際應用時,設(shè)備安裝面尺寸一般為幾十至幾百毫米,且通過螺釘分布式安裝,安裝面壓力并不均勻,因此標準方法的測量值會明顯優(yōu)于工程實際應用狀態(tài)下的工程值(如RKTL-DRZ-1型導熱脂,標準方法測量時的接觸傳熱系數(shù)約為20000W·m-2·K-1,工程實際應用時為500～2000W·m-2·K-1),標準方法的測量值無法直接用于工程設(shè)計。對于已在航天器上普遍使用的RKTL-DRZ-1型導熱脂,其應用狀態(tài)下的接觸傳熱系數(shù)通過熱平衡試驗及在軌飛行數(shù)據(jù)修正,已有較多的數(shù)據(jù)積累。而對于RKTL-DRZ-2型導熱脂及RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠,由于目前在航天器上應用較少,其實際應用狀態(tài)下的接觸傳熱系數(shù)缺乏試驗數(shù)據(jù)支撐,而設(shè)備安裝面的接觸傳熱系數(shù)是航天器熱分析的重要參數(shù),對熱分析的準確性及熱設(shè)計方案的可行性評估具有很大影響。

國內(nèi)外對界面接觸傳熱系數(shù)開展了大量的試驗及理論研究[3-7],影響接觸傳熱系數(shù)的因素多樣、復雜,包括平面度、粗糙度、緊固件分布、擰緊力矩、設(shè)備及安裝板剛度等,但尚未有普適性理論可以計算獲得接觸傳熱系數(shù),因此國內(nèi)外航天器熱設(shè)計時選用的接觸傳熱系數(shù)大多來自試驗。本文研究的目的是獲取2種新開發(fā)的航天器用導熱填料在工程應用狀態(tài)下的接觸傳熱性能,采用試驗方法對航天器上設(shè)備典型尺寸及不同固定螺釘分布情況下的接觸傳熱系數(shù)進行分析,并獲取保證航天器用導熱填料填充效果的實施經(jīng)驗。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗裝置由設(shè)備模擬板、輻射板、空間環(huán)境模擬器、程控電源和測控溫設(shè)備等組成。設(shè)備模擬板共3種,每種模擬板各3塊,用于模擬航天器上典型設(shè)備的安裝底板,在模擬板安裝面上開設(shè)小方槽及導線槽,用于熱電偶的粘貼及熱電偶線纜引出。每個模擬板頂面均設(shè)置1路加熱器。模擬板相關(guān)信息見表1,尺寸如圖1～圖3所示。輻射板共2種,每種輻射板各1塊,用于模擬板的安裝。如圖4所示,輻射板1用于模擬板1-1～1-3和2-1～2-3的安裝,輻射板2用于模擬板3-1～3-3的安裝。作為熱沉排散模擬板熱耗,輻射板外表面噴黑漆(模擬板安裝面除外)。輻射板上開設(shè)M4螺紋孔,在其與模擬板安裝面上開設(shè)小方槽及導線槽,用于熱電偶的粘貼及熱電偶線纜引出。輻射板相關(guān)信息見表2。參考航天器上設(shè)備的一般安裝要求,模擬板通過M4螺釘固定于輻射板上,擰緊力矩2.0N·m,輻射板與模擬板之間涂不同規(guī)格的導熱填料。為盡可能降低輻射板溫度,輻射板直接放在真空室內(nèi)導軌上。試驗時,空間環(huán)境模擬器通液氮、抽真空,試驗裝置示意如圖5所示。

圖1 模擬板1尺寸

圖2 模擬板2尺寸

圖3 模擬板3尺寸

圖4 輻射板與模擬板組裝示意

圖5 試驗裝置示意

表1 模擬板信息

表2 輻射板信息

1.2 試件樣本

設(shè)備模擬板試件通過導熱填料安裝于輻射板上,選用的導熱填料包括RKTL-DRZ-2型導熱脂和RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠,同時作為比對,部分試件樣本也選用了RKTL-DRZ-1型導熱脂及干接觸的方式,考慮航天器上設(shè)備典型的固定螺釘分布情況,先后對28個試件樣本開展了試驗研究,獲取了28組樣本數(shù)據(jù)。

與RKTL-DRZ-1型導熱脂相比,RKTL-DRZ-2型導熱脂為改進型產(chǎn)品,對界面的接觸傳熱系數(shù)有很大改善,為單組份膠;RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠為雙組份膠,不爬油,對界面的接觸傳熱系數(shù)無改善。幾款導熱填料的主要性能參數(shù)見表3。

表3 不同導熱填料性能

導熱脂及導熱凝膠均按照規(guī)范要求進行實施,主要包括安裝面的清潔、導熱填料使用前的充分攪拌、導熱填料在兩側(cè)安裝面的均勻涂覆(厚度為0.1～0.2mm)、清膠、加壓固化等。

1.3 接觸傳熱系數(shù)計算方法

試驗裝置的熱流如圖6所示。在接觸的2個界面開槽布置熱電偶測點,可直接測量2個界面的溫度,因此根據(jù)接觸傳熱公式直接計算界面接觸傳熱系數(shù)。

圖6 試驗裝置熱流

式中:h為界面接觸傳熱系數(shù),W·m-2·K-1;Q為加熱器功率,W;Qmli為多層漏熱量,見式(2),W;A為界面接觸面積,m2;T1為設(shè)備模擬板側(cè)界面平均溫度,K;T2為輻射板側(cè)界面平均溫度,K。

Qmli=A·εeff·σ·(T14—Ts4)

(2)

式中:εeff為多層當量發(fā)射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);Ts為熱沉溫度,K。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

對28個試件樣本進行接觸傳熱系數(shù)測試試驗,試件樣本的安裝狀態(tài)及計算獲得的接觸傳熱系數(shù)如表4所示。

表4 試驗結(jié)果

2.2 誤差分析

影響接觸傳熱系數(shù)計算的誤差主要包括以下幾方面。

(1)測溫誤差。試驗裝置采用熱電偶測溫系統(tǒng),考慮熱電偶標定、安裝及測量儀器精度等因素,測量誤差不超過1℃。

(2)穩(wěn)定判據(jù)誤差。試驗工況穩(wěn)定判據(jù)按照《GJB1033A-2005衛(wèi)星熱平衡試驗方法》執(zhí)行,各試驗工況結(jié)束時測溫點溫度滿足穩(wěn)定條件,由此引起的試驗溫度與穩(wěn)定值的偏差不超過1℃。

(3)功率測量誤差。試驗中加熱器功率偏差不超過2%。

(4)多層漏熱量偏差。多層當量發(fā)射率計算值偏差不超過0.02。

綜合考慮上述誤差影響,根據(jù)式(1)的穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果,可得表4中對應接觸傳熱系數(shù)的計算結(jié)果偏差最大約2.8%。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 實施效果評估

每個試件樣本完成試驗后,均對其導熱填料的涂覆狀態(tài)進行檢查,檢查結(jié)果如下。

(1)RKTL-DRZ-1型導熱脂和RKTL-DRZ-2型導熱脂的涂覆狀態(tài)良好,保證了設(shè)備模擬板與輻射板之間的良好接觸。

(2)第1組#2-1-3,#2-2-3,#2-3-3,#3-1-3,#3-2-3,#3-3-3,以及第2組#2-1-4,#2-2-4,#2-3-4,#3-1-4,#3-2-4,#3-3-4,共12個試件樣本選用RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠。其中:第1組6個試件樣本的導熱凝膠存在未能有效結(jié)合現(xiàn)象且表面光滑(見圖7),設(shè)備模擬板與輻射板之間未通過導熱凝膠實現(xiàn)良好接觸,因此本組試件樣本的接觸傳熱系數(shù)均較低;第2組6個試件樣本的導熱凝膠能有效結(jié)合現(xiàn)象且表面成漁網(wǎng)紋狀(見圖8),設(shè)備模擬板與輻射板之間接觸良好,因此本組試件樣本的接觸傳熱系數(shù)遠高于第1組試件樣本的接觸傳熱系數(shù)。

圖7 RKTL-DRNZ-1未良好接觸的光滑表面

圖8 RKTL-DRNZ-1良好接觸的漁網(wǎng)紋狀表面

上述情況表明:①RKTL-DRZ-2型導熱脂按照目前的導熱脂規(guī)范進行實施即可保證良好的界面填充效果。②RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠為雙組份膠,實施前將2種組份按一定比例進行配制,并要求在配制完成后的1h內(nèi)完成導熱凝膠的實施,以避免固化。前文中第1組選用RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠的6個試驗樣本在實施時室溫約32℃,且配比完成至實施完成的時間接近1h,較高的室溫及較長的實施時間導致實施完成時安裝界面兩側(cè)的凝膠表面已開始固化,進而導致試件樣本安裝界面兩側(cè)的凝膠未能有效結(jié)合、填充;第2組選用RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠的6個試件樣本實施時室溫約25℃,配比完成至實施完成的時間約40min,導熱凝膠的填充效果得到了很好的保證。由此可見,對于RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠,除滿足實施規(guī)范要求外,還應嚴格控制整個實施過程的時間,并應對環(huán)境溫濕度進行控制,以避免凝膠快速固化,進而影響界面填充效果。今后還要進一步開展工藝驗證試驗,尋找最優(yōu)實施控制時間和溫濕度要求。

2.3.2 接觸傳熱系數(shù)分析

由表3中試驗結(jié)果(不含實施狀態(tài)不佳的#2-1-3,#2-2-3,#2-3-3,#3-1-3,#3-2-3,#3-3-3共6個試件樣本)可分析得到如下結(jié)論。

(1)在相同安裝狀態(tài)下,RKTL-DRZ-2型導熱脂的接觸傳熱系數(shù)最高,RKTL-DRZ-1型導熱脂次之,RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠最低。

(2)RKTL-DRZ-2型導熱脂的接觸傳熱系數(shù)是RKTL-DRZ-1型導熱脂的1.1倍～4.7倍;接觸面的面積越小、固定螺釘越密,RKTL-DRZ-2型導熱脂對接觸傳熱系數(shù)的改善效果越明顯。

(3)RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠的接觸傳熱系數(shù)是RKTL-DRZ-1型導熱脂的0.6～0.8;接觸面的面積越小、固定螺釘越密,RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠對接觸傳熱系數(shù)的改善效果越接近于RKTL-DRZ-1型導熱脂。

(4)不同設(shè)備模擬板尺寸及不同固定螺釘分布,對界面接觸傳熱系數(shù)有較大影響。為保證設(shè)備安裝面的良好接觸,建議設(shè)備底面任意點與安裝螺釘?shù)木嚯x不超過150mm;對大尺寸、高熱流密度設(shè)備,可采用在設(shè)備底板中部增加螺紋孔、通過從設(shè)備安裝板外側(cè)擰入螺釘?shù)姆绞焦潭?以強化界面接觸傳熱效果。

(5)根據(jù)多年航天器研制經(jīng)驗,通過熱平衡試驗、在軌航天器實測數(shù)據(jù)修正熱分析模型得到的RKTL-DRZ-1型導熱脂在航天器上使用狀態(tài)下的接觸傳熱系數(shù),為本文試驗結(jié)果的0.3～0.5,這可能主要是由于試驗采用10mm厚的鋁板(剛度約等同于33mm厚的鋁蒙皮蜂窩板),其剛度較航天器上常用的25.6mm厚或21mm厚的鋁蒙皮蜂窩板更好。

2.4 導熱填料選用建議

本文獲取的航天器用導熱填料實施經(jīng)驗,尤其對于RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠,其環(huán)境溫濕度、操作時間是保證實現(xiàn)良好實施效果的關(guān)鍵控制條件,對于工程實施具有很好的指導意義。此外,本文獲取的RKTL-DRZ-2型導熱脂、RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠相對于RKTL-DRZ-1型導熱脂在應用狀態(tài)下對界面?zhèn)鳠嵝Ч纳魄闆r,能作為航天器熱設(shè)計及熱分析的參考,可提高熱分析的準確性以制定合理的熱設(shè)計方案,對航天器熱設(shè)計具有很好的參考價值。綜合考慮航天器用各種導熱填料的特性及應用狀態(tài)下的換熱性能表現(xiàn),給出了航天器用導熱填料的選用建議,如表5所示。

表5 導熱填料選用建議

3 結(jié)論

本文采用試驗方法對2款新開發(fā)的航天器用導熱填料RKTL-DRZ-2型導熱脂和RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠在應用狀態(tài)下的接觸傳熱性能進行試驗研究,并與目前常用的RKTL-DRZ-1型導熱脂進行比對,結(jié)論如下。

(1)在相同安裝狀態(tài)下,對界面接觸傳熱性能改善效果由高到低依次為RKTL-DRZ-2型導熱脂、RKTL-DRZ-1型導熱脂、RKTL-DRNJ-1型導熱凝膠。

(2)對于導熱凝膠的實施,為保證實施過程中導熱凝膠有效結(jié)合,應對環(huán)境的溫濕度及實施時間進行嚴格控制。

此外,考慮各種導熱填料的特點,本文給出了導熱填料在應用時的選用建議,可為選用導熱填料時的熱設(shè)計及熱控實施提供參考。