4.3.1 Граничное сопротивление между металлами

Достижение теплового равновесия в системе становится все более трудным при понижении температуры не только потому, что уменьшается теплопроводность материалов, но и вследствие того, что тепловое граничное сопротивление на поверхности раздела двух материалов становится все более важным. Если мы имеем в контакте два разных материала, и от одного материала к другому переносится тепловой поток Q, например в процессе охлаждения, то на границе между ними будет возникать скачок температуры

for_01_04_03

где RK — тепловое сопротивление границы или сопротивление Капицы, названное в честь русского физика П.Л. Капицы, который открыл тепловое граничное сопротивление в 1941 г. для случая жидкого гелия, находящегося в контакте с твердым телом. Эта проблема все еще не полностью понятна, по крайней мере при сверхнизких температурах (разд. 4.3.2). На рис. 4.5 показаны граничные сопротивления между несколькими материалами.

Между жидким гелием и различными твёрдыми металлами, а также между различными металлами и диэлектриками

Реальная площадь контакта между металлами часто составляет только около 10–6 от номинальной площади контакта из-за микроскопических нерегулярностей соприкасающихся поверхностей. Эта реальная площадь может быть значительно увеличена за счет приложения давления, близкого к пределу текучести материалов. Тепловая проводимость через границу между двумя металлами пропорциональна приложенной силе, используемой при их сжатии. Недостатком этой методики является деформация решетки, сопровождающаяся уменьшением объемной проводимости. Эту проблему можно частично решить с помощью диффузионной сварки соединяемых поверхностей, поскольку при этом используются высокие температуры (0,6 Тпл , например) отжига решеточных дефектов. Граничное сопротивление можно сделать достаточно малым, если поверхности чистые, по возможности позолочены и прижаты друг к другу с большой силой. Мы должны иметь в этом случае перекрытие электронных волновых функций двух металлов, что обеспечивает хороший электрический и тепловой поток между ними.

Теплопередача через контакт между двумя металлами, похожими или непохожими друг на друга, является общей проблемой в криогенике. В литературе нельзя найти универсального решения, несмотря на то, что она полна рецептов [4.1,9,29]. В разд. 3.2.1 упоминалось, как важно правильно соединить два непохожих материала, если ну­ен хороший тепловой контакт. Мой собственный опыт показывает что хорошо сконструированный разъемный прижимной контакт между двумя позолоченными или хорошо отполированными чистыми металлами может иметь тепловое сопротивление почти такое же малое, как массивная, сплошная часть металлического образца [4.15]. Чтобы этого достичь, поверхности должны быть хорошо приготовлены и достаточно сильно прижаты болтами, сделанными, например, из упрочненной BeCu. Их затягивают контролируемым образом, пока они едва не переходят в состояние текучести, так что приложенная сила достаточна, чтобы произвести между двумя деталями почти холодную сварку. Такая процедура может разрушить оксидные слои и затем создать однородный металлический контакт. Иногда помогает, если контактируемые поверхности посыпать мелким Ag порошком. Как упоминалось в разд. 3.2, тепловой контакт улучшается с помощью кольцевой прокладки с очень малым коэффициентом расширения (например, W или Мо) после охлаждения за счет разных тепловых сжатий. Вполне хорошие результаты были также получены при соединении двух заостренных к концам металлических соединений. Недавно сообщалось [4.29] о чрезвычайно малом тепловом сопротивлении 10 нОм при 4,2 К между позолоченными медными дисками, скрепленными вместе с помощью 4 мм винтов из нержавеющей стали с крутящим моментом, по крайней мере, 4 Н·м (более типичные и все еще хорошие значения 0,1 мкОм при 4 К). Измеренное сопротивление контакта было обратно пропорционально крутящему моменту затяжки болта.

Припой, Tm, Tc

Механический и электрический контакт между двумя металлами часто делается с помощью пайки. К сожалению, большинство припоев, в частности мягкие припои, при низких температурах становятся сверхпроводящими (табл. 4.1) и в конце концов ведут себя как диэлектрики, что касается теплопроводности [4.1,30-35] (рис. 4.1); в этом случае их можно использовать как диэлектрический клей! Конечно, эту проблему можно обойти, если поместить паяное соединение в достаточно сильное магнитное поле, чтобы подавить сверхпроводящее состояние. В некоторых случаях низкая теплопроводность, характерная для сверхпроводников, может не восстановиться даже после снятия поля, потому что магнитный поток может быть захвачен припоем, удерживающим его достаточно долго для поддержания нормального состояния, и обеспечивающего хороший тепловой контакт. Температуры перехода в сверхпроводящее состояние и температуры плавления для различных припоев приведены в табл. 4.1. В некоторых случаях пригодны паяные соединения с помощью несверхпроводящего Bi [4.34]. Эти проблемы можно также решить с помощью сварки или с использованием несверхпроводящих твердых припоев, но иногда образующиеся при этом сплавы приводят к весьма большому теплосопротивлению на границе между двумя присоединяемыми друг к другу металлами.

 

View one comment on “4.3.1 Граничное сопротивление между металлами

Comments are closed.