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，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間縮短，都進(jìn)一步對傳統(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間微細(xì)尺度條件下流動和傳熱的特點(diǎn)和規(guī)律，因此國際上逐步形成了一個微細(xì)尺度傳熱的新的分支學(xué)科。例如，1997年，國際傳熱傳質(zhì)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(xué)術(shù)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(xué)術(shù)刊物。這些都表明了世界正在形成微細(xì)傳熱這個新的學(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，其流動和傳熱的規(guī)律已明顯不同于常規(guī)尺度條件下的流動和傳熱現(xiàn)象，即會出現(xiàn)了流動和傳熱的尺度效應(yīng)。微細(xì)尺度的流動和傳熱與常規(guī)尺度的流動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時，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)，使原來的各種影響因數(shù)的相對重要性發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致流動和傳熱規(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，其導(dǎo)熱系數(shù)就會降低，有的甚至可降低個數(shù)量級，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)制來自于兩個方面，一是與導(dǎo)熱問題中的特征長度有關(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，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和有/無相變時的傳熱傳質(zhì)，薄液膜流動單相與蒸發(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)部的微對流現(xiàn)象，液體表面蒸發(fā)與凝結(jié)分子動力學(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)境下的流動與對流換熱，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)率的測量

近些年來，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)率的測量方法：靜態(tài)法[8]，法[9]，瞬態(tài)反射測量法，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等人對厚度為1.4和0.6的氮化硅薄膜采用靜態(tài)法測量，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的時候，熱導(dǎo)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(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，采用熱電偶作為測溫元件的交流量熱法已廣泛用于測量薄膜的熱擴(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。在測量超薄薄膜垂直方向的熱擴(kuò)散率時，由于薄膜很薄，在厚度方向上的熱擴(kuò)散時間很短（級），要求測溫器的響應(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(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)率測量，并驗(yàn)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(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(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-探測技術(shù)對金屬納米薄膜微尺度能量輸運(yùn)過程進(jìn)行了研究。在泵浦一探測系統(tǒng)中，兩束激光一起對測量樣品進(jìn)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(shè)定的時間延遲。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(diào)節(jié)起偏器的角度，來實(shí)現(xiàn)兩個分量強(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探測樣品表面反射率的微弱變化，為探測光其強(qiáng)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(shí)現(xiàn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)設(shè)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(nèi)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(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稱結(jié)構(gòu)和熱邊界條件，進(jìn)口采用流動完全發(fā)展邊界條件。對不同對稱結(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)行了對比。 研究表明，對所研究微槽結(jié)構(gòu)和工質(zhì)，采用流動完全發(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)宜等人對甲醇沿刻有矩形微槽表面的平板流動沸騰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)對傳熱特性、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)的受迫流動沸騰傳熱。通道內(nèi)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(jìn)口流量、空隙率及流型。姜明健[12]等通過試驗(yàn)研究流動阻力和換熱強(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)形狀和流體流動均勻性對流動和換熱的影響規(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)域的一個新成長點(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。

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