在外力调制作用下一维微米宽界面的热阻特性

《Advanced Materials Interfaces》：Thermal Resistance of 1D Micron-Wide Interface Under External Force Modulation

碳微纤维与蓝宝石基底界面热阻通过瞬态电热法研究，发现外力调控可使热阻从1200降至125 mK/W。实验采用四种配置分析接触力对热阻的影响，建立包含辐射和接触热阻的物理模型，验证其准确度达±2%。研究揭示了热传导与接触面积、辐射效应及机械外力的关联性，为微电子热传感器设计提供新方法。

　　碳微纤维（CMF）与环境接触时会形成微米级的界面，这些界面在科学和工程领域具有重要意义。然而，目前关于这些微界面热阻（ITR）的研究仍显不足，尤其是那些探讨外部施加力对ITR影响的实验研究。本文通过系统研究CMF与蓝宝石基底接触的微尺度界面热阻，提出了一种基于瞬态电热（TET）技术的创新实验方法，用于分析由阶跃焦耳加热引起的瞬态温度响应。该方法的关键在于对接触力的系统调节，从而影响ITR。实验结果显示，接触力的变化（约10?2至10??牛）会导致ITR的可测量变化，其范围从约500至700毫开尔文每瓦。此外，研究还结合了有效接触面积和次级热传导机制，如声子隧穿和近场辐射效应，以提供对界面热传导的全面理解。这些发现不仅深化了对微/纳米尺度接触热传导的基本认识，还突显了TET方法在高灵敏度热和力传感器设计中的潜力，特别是在微电子应用中。

CMF因其微米级直径和卓越的机械强度、电导率及化学稳定性，成为复合材料研究的重要对象。近年来，CMF在航空航天结构、柔性电子和光电子、能量存储设备、纺织品和智能材料、热界面材料等领域展现出广泛的应用前景。碳纳米管（CNT）基的固体材料代表了一种层次化的结构集合，其微结构特性对物理性能具有显著影响。CNT纱线和束状结构是密集的、绳状的宏观纤维，其中的纳米管及其更小的束状结构（纳米尺度）通常紧密排列并高度对齐。这些结构的完整性依赖于分子间（范德华）力、摩擦力以及在某些情况下纠缠。相比之下，自立CNT薄膜通常具有较低的对齐度和致密性，从而导致更高的孔隙率、更少的连续传导路径以及更多随机的隧道状接触。这种差异在热传导性能上产生重要影响，使得CNT薄膜在某些应用中可能不如纱线或束状结构有效。

碳纤维增强复合材料因其优越的强度重量比、耐腐蚀性和耐久性，广泛应用于航空航天、汽车和基础设施等行业。然而，其性能往往受到纤维与基体之间界面结合力不足的限制，特别是在热传导方面，界面热阻会显著阻碍热流。因此，理解并优化界面热阻对于提高这些材料的热管理性能至关重要。界面热阻（ITR）是一个关键参数，其影响因素包括材料的物理特性、界面温度、热流方向、表面负载压力和粗糙度等。对于微尺度纤维，接触面积可能处于纳米尺度，这使得其热传导行为与宏观材料存在显著差异。

目前，测量ITR的方法可分为稳态和瞬态两大类。稳态方法中最常用的是ASTM D5470-06标准设备。该方法通过将样品夹在两个高导热、温度可控的铜棒之间，测量样品的温度梯度和热流，从而计算出热阻和表观热导率。然而，这种方法对薄样品的测量精度有限，难以区分界面热阻与材料本征热导率。瞬态方法则包括激光光热法、光声法、闪光法、热成像法、瞬态热反射法和3ω方法等。尽管这些方法适用于微尺度材料的测量，但它们在操作难度、应用范围和测量精度方面各有局限。

针对微/纳米尺度纤维的ITR测量，需要特定的策略来应对极小的接触面积。Li等人提出了一种非接触技术——激光闪射拉曼成像，用于测量单根碳纤维之间的ITR，并获得了约30.7%的不确定性。而Rodrigo等人使用T型3ω方法对交叠的聚丙烯腈（PAN）型碳纤维之间的ITR进行了详细研究，得出约（10.4 ± 10.1）×10? K/W的ITR值。该方法通过高真空条件减少对流热损失，利用电压测量来评估热阻。然而，由于模型输入参数的不确定性，如纤维直径、接触面积、轴向和径向导热率以及纤维长度，其测量结果的误差较大。

对于CNT的ITR测量，Yang等人使用悬浮微设备平台，发现对齐接触的热阻显著低于交叉接触。Li等人则通过原位扫描电子显微镜（SEM）平台结合纳米操纵器和热传感器，动态调整接触形态，揭示了热阻随重叠长度、交叉角度和表面污染程度的变化。此外，研究还发现CNT与铜之间的热阻可通过非接触红外热成像方法直接测量，结果显示方向性热阻值在2.2–3.6 cm2K/W和9.6–11.9 cm2K/W之间，表明其在热晶体管和逻辑器件中的巨大潜力。Peacock等人则研究了垂直对齐的CNT阵列作为热界面材料，其在20 psi和50 psi下的界面热阻分别为0.458 cm2K/W和0.425 cm2K/W，显示出其在提升热界面材料性能方面的潜力。

本文提出的TET方法结合了稳态和瞬态热传导模型，通过分析阶跃电流引起的瞬态温度响应来测量ITR。该方法不仅适用于CMF与蓝宝石基底的接触，还为其他材料体系提供了可行的测量方案。通过实验和数值模拟的双重验证，该方法在准确性和可靠性方面表现出色。在实验中，研究人员通过调整接触力，观察其对ITR的影响。结果显示，施加力的变化显著降低了ITR，表明接触力对热传导具有重要调控作用。

在实验过程中，研究人员对不同配置的CMF进行了TET测量，包括自然接触（配置A）、通过中间调整接触力（配置B）、通过紧密固定施加力纤维（配置C）以及通过单端固定施加力纤维（配置D）。这些配置展示了接触力对热传导的不同影响。例如，在配置B中，施加力增加了有效接触面积，从而降低了ITR。而在配置C中，施加力纤维被紧密固定在接触区域附近，进一步提升了热传导效率。配置D通过改变施加力纤维的接触距离，系统地调节了接触力，验证了其对ITR的显著影响。这些实验结果不仅展示了ITR对接触条件的敏感性，还为设计高灵敏度的热和力传感器提供了新的思路。

研究还揭示了接触力对热传导的调控机制。例如，当施加力纤维被固定在离接触点较近的位置时，其弯曲刚度增加，导致接触点的正常力显著提高，从而改善热传导。相反，当固定点距离较远时，施加力纤维更容易弯曲，降低了接触力。这些结果表明，通过精确控制接触点的力，可以有效调控热传导性能，这对于微电子和高精度传感器的设计具有重要意义。

此外，研究还探讨了热传导过程中其他次级机制的影响，如声子隧穿和近场辐射热传导（NFRHT）。这些机制在微尺度接触中起着重要作用，尤其是在物理间隙非常小的情况下，声子隧穿可以显著增强热传导，而NFRHT则在亚微米尺度上表现出更高的热流。因此，引入“有效宽度”这一概念，以更全面地描述这些机制对热传导的影响。

本文的研究成果不仅为理解微/纳米尺度接触热传导提供了新的视角，还为开发高灵敏度的热和力传感器提供了实验依据。未来的工作将进一步扩展该方法至更多材料体系，并优化模型以捕捉更复杂的界面多物理现象，如高粗糙度、不良接触和低导热基底等。这些进展将有助于提升材料在极端环境下的热管理性能，推动其在更广泛领域的应用。