微尺度传热是研究空间尺度和时间尺度细微情况下的传热学规律。微细尺度传热问题的工程背景来自于80年代高密度微电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统中的流动和传热问题它的特点是, 当空间和时间尺度微细化后, 出现了很多与常规尺度下不同的物理现象。“微细”只是一个相对的概念 ,而不是指某一特定尺度。不同的场合会有不同的定义。所谓“微尺度”并没有严格的界定,只是一个相对大小的概念，它不仅包括空间尺度，还包括时间尺度。微尺度传热研究的主要问题包括微尺度导热、微尺度流动和对流换热、微尺度热辐射 以及微尺度的相变传热。其在薄膜传热、计算机元器件及其传热问题、微尺度热驱动技术以及微尺度生物传热方面应用广泛。

早期的微尺度传热学研究主要集中在导热问题上，之后则扩展到辐射和对流问题。关于微尺度下热导率依赖于材料厚度的认识追溯到20世纪30年代，且最早是由物理学家认识到的：20世纪60年代后期，热物理学家(其中尤以美国加州大学的田长霖教授为代表)开始注意到一系列工程器件中的传热问题的尺寸效应，于是微尺度传热学俏然兴起，特别到80年代后期进展更为迅速。因此，对于所有微电子机械系统（MEMS）的设计及应用来说，全面了解系统在特定尺度内的微机电性质及材料的热物性、热行为等已经成为边在眉睫的任务；于是现代热科学中的一门崭新学科——微米/纳米尺度传热学应运而生。1997 年国际传热传质中心首次召开了微传热的国际会议,成为微尺度传热这一学科正式建立的标志。

其原因可以分为两大类一类是连续介质的假定不再适用,另一类则是各种作用力的相对重要性发生了变化所需研究的挑战性问题有, 导热系数的尺度效应、导热的波动现象, 微小通道中流动和传热, 流动压缩性和界面效应等的影响, 微细尺度下的辐射和相变等。

大部分的文章探讨了激光脉冲加热的金属薄膜,或是对半导体等薄膜材料的研究和集中于某种材料的制备方法和应用的研究,如若对非金属薄膜材料的传热机理加以研究, 将使体积和重量不断减少的半导体微尺度器件促成一些新的工程应用, 开辟新的市场,并为有关基础探索提供了崭新的研究手段。

微细尺度传热学是近些年形成的一个新的学科分支，主要研究空间尺度和时间尺度微细情况下的传热学规律。当尺度微细化后，其动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，换言之，当研究对象微细到一定程度以后 ,出现了流动和传热的尺度效应。“微细”只是一个相对的概念 ,而不是指某一特定尺度。不同的场合会有不同的定义。所谓“微尺度”并没有严格的界定,只是一个相对大小的概念，它不仅包括空间尺度，还包括时间尺度。随着研究对象的不同,出现微尺度效应的时空尺度范围也不相同。通常所指的空间微尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:

- 微米- 亚微米- 纳米- 团簇- 原子-

其中微米范围的上限是在100μm 以下,而亚微米通常定义为0. 1μm 以下至nm 之间。团簇一般定义为尺度为1nm 以下的原子聚合体,由几个到几百个原子构成。在亚微米和团簇之间的1nm～100nm 范围是纳米体系所在处。集成电路的特征线条尺寸已进入纳米范围。通常所说的时间微尺度的范围是:

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

其中ns 是数字系统如计算机的时钟脉冲宽度的量级。

与常规尺度的流动和传热比较

微尺度的流动和传热与常规尺度的流动和传热的不同的原因：

（1）当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子的平均自由程同一量级时，基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数、导热系数等概念要重新讨论 , N-S方程和导热方程等也不再适用。

（2）物体的特征尺寸远大于载体粒子的平均自由程，即连续介质的假定仍能成立,但是由于尺度的微细,使原来的各种影响因数的相对重要性发生了变化,从而导致流动和传热规律的变化。

导热系数的尺度效应的物理机制来自于两个方面：一是与导热问题中的特征长度有关；另一方面导热能力与材料中晶粒大小有关，当尺寸减小时，晶粒尺寸会随之减小，由于晶粒界面增大，所以输运能力减弱，导热系数降低。

研究导热问题时，最常用的是傅立叶定律，即热流与温度梯度成正比，然而 ,在研究快速瞬态导热时,发现傅立叶定律不再适用，此时热量温度传播是以波动方式传播，这与基于傅立叶定律的抛物型导热方程所阐述的的能量传递方式有很大不同。

电子器件和电子封装中的介电薄膜材料的导热行为可能产生异常情况，当膜厚很小时，可以用辐射传递问题来分析和讨论晶格振动。

（1）流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同。

（2）充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数，而应是雷诺数的函数。

（3）微细通道湍流的 Nu比常规情况高

（4）微细通道流传热数据很分散

（5）微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小

影响微细流动与传热现象的某些因素：

（1）流体的压缩性

由于微细通道内压力降很大，导致流体密度沿程有明显的变化，所以必须考虑流体的压缩性，它不仅会形成加速压降，而且还将改变速度剖面。

（2）界面效应

在微细管道中液体表面张力将起更为重要的影响，此外，由于固壁有时带静电,液体可以有极性 ，静电场的存在会阻碍液体中离子的运动，从而使液体流动阻力增加，同时对微细管道中传热也会有重要影响。

（3）气体稀薄效应

当努曾数kn《1，连续介质区；0.01

微尺度热辐射

（1）在微尺度条件下热辐射主要与声子自由程、光子波长和光子相干长度有关。

（2）辐射性质与微尺度的关系, 几何光学区、电磁微尺度区、电子传输微尺度区、量子尺寸区的辐射特性,微尺度辐射与传统几何光学区辐射的偏离; 薄膜、微槽表面的热辐射特性及其制造过程中的热控制;微多孔材料内的辐射热传输。

微尺度的相变传热

相变传热中的微细尺度传热问题可分成两大类：一是常规尺度容器中的沸腾或凝结中尚有很多微细尺度的传热问题没有很好地解决：如有关汽泡、液滴的成核和相变过程中的薄液膜换热等等，核的存活直径和液膜厚度都具有亚毫米至微米量级。

另一类是当容器或通道尺寸缩小至与核的临界直径具有同一量级时,相变及其换热规律必会发生变化。

微尺度传热应用的主要领域

薄膜中的热传导

1987年 ,瑞士科学家发现 YBa2Cu3O7陶瓷在温度35 K以上具有超导电性即高温超导性。人们第一次认识到自然界存在一个超导体及半导体均可工作的温度范围 ,于是一种集超导体-半导体于一身的功能强大的复合器件应运而生。这类器件的基本单元是一种沉积在硅或镓砷化物基底上的高温超导薄膜,其内外的传热问题与超导的研究和应用密切相关 ,因而对薄膜热物性及其热输运规律进行研究自然就成为提高仪器性能的关键所在。

计算机元器件及其传热问题

近年来 ,微电子工业发展的一个显著特点是个人计算机和工作站呈爆炸般增长,MEMS的影响遍及仪器、医疗、生物系统、机器人、设计、 导航及计算机应用等几乎所有现代科技领域。我国也开展这一学科的研究 ,并在纳米科学的某些领域如定向碳纳米管阵列、 一维纳米线等还取得了引人注目的成就。

所有这些都说明微米/纳米电子机械系统本身所具有的独特的魅力和意义，在这些小型或中型尺寸的系统中 ,无一例外地要用到受迫对流空气来冷却发热器件。

微型换热器及其传热问题

微型换热器涉及相当广泛的领域 ,在电子器件、微电子机械系统、 一些现代最先进的生物技术和微医疗仪器等方面都得到了充分的应用。随着当前微系统与纳米技术的飞速发展 ,各种令人耳目一新的微型换热器层出不穷。现代微制造技术的进展已经使得加工由多个水力学直径在 10～1000μm之间的微型管道组成的换热器成为可能。

微尺度热驱动技术

在某些环境下 ,热信号被认为是控制一些“微小”机器的最合适的工具之一,除电场之外 ,温度或温度梯度可对一定成型表面上的微小流体流动起到导向作用,这可能具有重要的应用前景 ,另一个微尺度热控制的例子可在打印机工业中找到。

微尺度生物传热

对细胞尺度范围内的传热传质问题的研究近年来逐渐成为生物学研究中的一个重心 ,其工程背景可在大量的生物材料保存、 冷冻干燥、 冷冻外科、 高温肿瘤热疗中找到。微尺度传热在一些最先进的生物技术中也得到了应用 ,如利用生物组织中化学反应速率对温度的高度敏感性 ,人们设计了独特的具有高效热控性能的硅微结构 ,这种生化反应器件使得多聚酶链式反应时间缩短了近十分之一。

参考资料

最新修订时间：2022-08-25 13:47