微尺度傳熱

微尺度傳熱是研究空間尺度和時間尺度細微情況下的傳熱學規律。微細尺度傳熱問題的工程背景來自於80年代高密度微電子器件的冷卻和90年代出現的微電子機械系統中的流動和傳熱問題它的特點是, 當空間和時間尺度微細化後, 出現了很多與常規尺度下不同的物理現象。“微細”只是一個相對的概念 ,而不是指某一特定尺度。不同的場合會有不同的定義。所謂“微尺度”並沒有嚴格的界定,只是一個相對大小的概念，它不僅包括空間尺度，還包括時間尺度。微尺度傳熱研究的主要問題包括微尺度導熱、微尺度流動和對流換熱、微尺度熱輻射 以及微尺度的相變傳熱。其在薄膜傳熱、計算機元器件及其傳熱問題、微尺度熱驅動技術以及微尺度生物傳熱方面套用廣泛。

基本介紹

• 中文名：微尺度傳熱
• 外文名：MicroscaleHeat Transfer
• 別稱：微細尺度傳熱
• 類型：傳熱學規律
• 領域：能源
• 學科：熱力學、傳熱學

微尺度傳熱產生的背景及發展

早期的微尺度傳熱學研究主要集中在導熱問題上，之後則擴展到輻射和對流問題。關於微尺度下熱導率依賴於材料厚度的認識追溯到20世紀30年代，且最早是由物理學家認識到的：20世紀60年代後期，熱物理學家(其中尤以美國加州大學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，於是微尺度傳熱學俏然興起，特別到80年代後期進展更為迅速。因此，對於所有微電子機械系統（MEMS）的設計及套用來說，全面了解系統在特定尺度內的微機電性質及材料的熱物性、熱行為等已經成為邊在眉睫的任務；於是現代熱科學中的一門嶄新學科——微米/納米尺度傳熱學應運而生。1997 年國際傳熱傳質中心首次召開了微傳熱的國際會議,成為微尺度傳熱這一學科正式建立的標誌。

其原因可以分為兩大類一類是連續介質的假定不再適用,另一類則是各種作用力的相對重要性發生了變化所需研究的挑戰性問題有, 導熱係數的尺度效應、導熱的波動現象, 微小通道中流動和傳熱, 流動壓縮性和界面效應等的影響, 微細尺度下的輻射和相變等。

目前大部分的文章探討了雷射脈衝加熱的金屬薄膜,或是對半導體等薄膜材料的研究和集中於某種材料的製備方法和套用的研究,如若對非金屬薄膜材料的傳熱機理加以研究, 將使體積和重量不斷減少的半導體微尺度器件促成一些新的工程套用, 開闢新的市場,並為有關基礎探索提供了嶄新的研究手段。

微尺度傳熱的特點

微細尺度傳熱學是近些年形成的一個新的學科分支，主要研究空間尺度和時間尺度微細情況下的傳熱學規律。當尺度微細化後，其動和傳熱的規律已明顯不同於常規尺度條件下的流動和傳熱現象，換言之，當研究對象微細到一定程度以後 ,出現了流動和傳熱的尺度效應。“微細”只是一個相對的概念 ,而不是指某一特定尺度。不同的場合會有不同的定義。所謂“微尺度”並沒有嚴格的界定,只是一個相對大小的概念，它不僅包括空間尺度，還包括時間尺度。隨著研究對象的不同,出現微尺度效應的時空尺度範圍也不相同。通常所指的空間微尺度是跨越微米到原子尺度的寬廣範圍:

- 微米- 亞微米- 納米- 團簇- 原子-

其中微米範圍的上限是在100μm 以下,而亞微米通常定義為0. 1μm 以下至nm 之間。團簇一般定義為尺度為1nm 以下的原子聚合體,由幾個到幾百個原子構成。在亞微米和團簇之間的1nm～100nm 範圍是納米體系所在處。目前積體電路的特徵線條尺寸已進入納米範圍。通常所說的時間微尺度的範圍是:

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

其中ns 是目前數字系統如計算機的時鐘脈衝寬度的量級。

與常規尺度的流動和傳熱比較

微尺度的流動和傳熱與常規尺度的流動和傳熱的不同的原因：

（1）當物體的特徵尺寸縮小至與載體粒子的平均自由程同一量級時，基於連續介質概念的一些巨觀概念和規律就不再適用，粘性係數、導熱係數等概念要重新討論 , N-S方程和導熱方程等也不再適用。

（2）物體的特徵尺寸遠大於載體粒子的平均自由程，即連續介質的假定仍能成立,但是由於尺度的微細,使原來的各種影響因數的相對重要性發生了變化,從而導致流動和傳熱規律的變化。

微尺度導熱

導熱係數的尺度效應

導熱係數的尺度效應的物理機制來自於兩個方面：一是與導熱問題中的特徵長度有關；另一方面導熱能力與材料中晶粒大小有關，當尺寸減小時，晶粒尺寸會隨之減小，由於晶粒界面增大，所以輸運能力減弱，導熱係數降低。

導熱的波動效應

研究導熱問題時，最常用的是傅立葉定律，即熱流與溫度梯度成正比，然而 ,在研究快速瞬態導熱時,發現傅立葉定律不再適用，此時熱量溫度傳播是以波動方式傳播，這與基於傅立葉定律的拋物型導熱方程所闡述的的能量傳遞方式有很大不同。

導熱的輻射效應

電子器件和電子封裝中的介電薄膜材料的導熱行為可能產生異常情況，當膜厚很小時，可以用輻射傳遞問題來分析和討論晶格振動。

微尺度流動和對流換熱

（1）流動阻力規律與常規尺寸條件下的不同。

（2）充分發展通道流的阻力因子與雷諾數的乘積不再是常數，而應是雷諾數的函式。

（3）微細通道湍流的 Nu比常規情況高

（4）微細通道流傳熱數據很分散

（5）微細通道層流向湍流過渡的雷諾數減小

影響微細流動與傳熱現象的某些因素：

（1）流體的壓縮性

由於微細通道內壓力降很大，導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，它不僅會形成加速壓降，而且還將改變速度剖面。

（2）界面效應

在微細管道中液體表面張力將起更為重要的影響，此外，由於固壁有時帶靜電,液體可以有極性 ，靜電場的存在會阻礙液體中離子的運動，從而使液體流動阻力增加，同時對微細管道中傳熱也會有重要影響。

（3）氣體稀薄效應

當努曾數kn《1，連續介質區；0.01<kn<0.1， 滑移區； 0.1<kn<1，過渡區， kn》1，自由分子流區；氣體的稀薄性一般導致氣體流動阻力降低和換熱減弱。

微尺度熱輻射

（1）在微尺度條件下熱輻射主要與聲子自由程、光子波長和光子相干長度有關。

（2）輻射性質與微尺度的關係, 幾何光學區、電磁微尺度區、電子傳輸微尺度區、量子尺寸區的輻射特性,微尺度輻射與傳統幾何光學區輻射的偏離; 薄膜、微槽表面的熱輻射特性及其製造過程中的熱控制;微多孔材料內的輻射熱傳輸。

微尺度的相變傳熱

相變傳熱中的微細尺度傳熱問題可分成兩大類：一是常規尺度容器中的沸騰或凝結中尚有很多微細尺度的傳熱問題沒有很好地解決：如有關汽泡、液滴的成核和相變過程中的薄液膜換熱等等，核的存活直徑和液膜厚度都具有亞毫米至微米量級。

另一類是當容器或通道尺寸縮小至與核的臨界直徑具有同一量級時,相變及其換熱規律必會發生變化。

微尺度傳熱套用的主要領域

薄膜中的熱傳導

1987年 ,瑞士科學家發現 YBa2Cu3O7陶瓷在溫度35 K以上具有超導電性即高溫超導性。人們第一次認識到自然界存在一個超導體及半導體均可工作的溫度範圍 ,於是一種集超導體-半導體於一身的功能強大的複合器件應運而生。這類器件的基本單元是一種沉積在矽或鎵砷化物基底上的高溫超導薄膜,其內外的傳熱問題與超導的研究和套用密切相關 ,因而對薄膜熱物性及其熱輸運規律進行研究自然就成為提高儀器性能的關鍵所在。

計算機元器件及其傳熱問題

近年來 ,微電子工業發展的一個顯著特點是個人計算機和工作站呈爆炸般增長,MEMS的影響遍及儀器、醫療、生物系統、機器人、設計、 導航及計算機套用等幾乎所有現代科技領域。我國也開展這一學科的研究 ,並在納米科學的某些領域如定向碳納米管陣列、 一維納米線等還取得了引人注目的成就。

所有這些都說明微米/納米電子機械系統本身所具有的獨特的魅力和意義，在這些小型或中型尺寸的系統中 ,無一例外地要用到受迫對流空氣來冷卻發熱器件。

微型換熱器及其傳熱問題

微型換熱器涉及相當廣泛的領域 ,在電子器件、微電子機械系統、 一些現代最先進的生物技術和微醫療儀器等方面都得到了充分的套用。隨著當前微系統與納米技術的飛速發展 ,各種令人耳目一新的微型換熱器層出不窮。現代微製造技術的進展已經使得加工由多個水力學直徑在 10～1000μm之間的微型管道組成的換熱器成為可能。

微尺度熱驅動技術

在某些環境下 ,熱信號被認為是控制一些“微小”機器的最合適的工具之一,除電場之外 ,溫度或溫度梯度可對一定成型表面上的微小流體流動起到導向作用,這可能具有重要的套用前景 ,另一個微尺度熱控制的例子可在印表機工業中找到。

微尺度生物傳熱

對細胞尺度範圍內的傳熱傳質問題的研究近年來逐漸成為生物學研究中的一個重心 ,其工程背景可在大量的生物材料保存、 冷凍乾燥、 冷凍外科、 高溫腫瘤熱療中找到。微尺度傳熱在一些最先進的生物技術中也得到了套用 ,如利用生物組織中化學反應速率對溫度的高度敏感性 ,人們設計了獨特的具有高效熱控性能的矽微結構 ,這種生化反應器件使得多聚酶鏈式反應時間縮短了近十分之一。