微尺度热传导理论及金属薄膜的短脉冲激光加热
发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:292
王秋军，徐红玉，宋亚勤，张元冲 | |||
（西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西 西安 710049） | |||
| 摘要：概述了微尺度热传导理论的几种模型及其求解方法。以金属薄膜的短脉冲激光加热为例，分析了固体材料在微尺度条件下的热响应特征，主要包括短脉冲激光加热条件下金属薄膜中的热平衡时间、薄膜中热传递的波动性特征和微尺度条件下热传递的尺寸效应；同时讨论了对流热损失对金属薄膜热行为的影响。 1引言 微机电技术、微机电系统结构和纳米结构在近10年中都取得了巨大的进展并展现出广阔的应用前景，同时与此相关的各个基础领域的研究也引起了人们的极大关注。微尺度条件下热传导理论的研究，就是这些研究领域的一个重要分支。 目前，对微尺度热传导理论研究采用的方法主要有两种：一种是从量子理论和分子动力学理论出发，用统计方法对微小结构中的热传导过程进行研究，tien[1]和chen[2]在这个方面做了大量的、卓有成效的工作；另一种方法是通过对传统的宏观唯象热传导理论模型进行修改，使之能够更加真实的反映微尺度条件下的热传导过程。这方面的工作最早可以追溯到20世纪50年代末，人们在研究中发现在超低温条件下热量以有限速度传递，而传统的傅里叶热传导理论却不能解释这一现象。为了解决这个矛盾，人们对傅里叶热传导模型进行了不断地改进，并把这些新的模型概称为广义的热传导理论，以与传统的傅里叶热传导理论相区别。在随后的研究过程中，人们又发现在常温条件下热量在沙土、蓝宝石等多种材料中以有限速度传递，这些证据进一步证明了广义的热传导理论的真实性和有效性。在微尺度条件下，由于研究对象所涉及的空间和时间尺度极小，分别达到了纳米（10－9m）和飞秒（10－15s）量级，热传递在强烈的非平衡条件下进行，传统的热传导理论已经不再适用，只有用广义的热传导理论模型才能做出很好的解释和预测，因此近年来广义的热传导理论被广泛地应用于微尺度热传导问题的研究。 由于以上原因和微纳米技术发展的迫切需要，微尺度热传导理论受到众多科研工作者的青睐，做了大量研究工作并取得了丰硕的成果[3]。tzou[4]对各种理论模型及其应用作了较详细的介绍和研究，是目前微尺度热传导领域的重要文献。另外，随着超短脉冲激光技术的发展，短脉冲激光加热成为研究微尺度条件下非平衡态热传导过程的常用方法，有大量的工作是在此方法基础上完成的[5]。本文第一部分从经典的傅里叶热传导模型出发，对第二种研究方法及各种热传导理论模型作了简要介绍。第二部分介绍了近期所做的微尺度条件下金属薄膜的短脉冲激光加热问题的一些研究成果，最后一部分是对该研究领域其他相关问题的简介和对该研究领域未来前景的展望。 2微尺度热传导理论 微尺度热传导理论，或称之为广义的热传导理论，是描述微尺度条件下固体材料中热传导现象的各种理论及其模型的总称。一般是通过对经典的傅里叶热传导模型作不同的修改得到的，也可以用统计学方法在量子力学和分子动力学的基础上得到。 经典的傅里叶热传导模型是一个热扩散模型。由于它意味着热流在介质中以无穷大速度传播，使得它不适用于在短时间和微小空间内发生强烈温度变化的热传导现象的研究。为解决傅里叶热传导理论的这一先天缺陷，cattaneo[6]和vernotte[7]对它作了修正，提出了一个热传导模型，可表示为 ｑ＋τq/t＝－ｋｔ (1) 由于该模型所描述的热传导过程具有明显的波动特征，因此该模型一般被称为cv波模型。与傅里叶模型相比，它多一个热流滞后项，反映了热流在介质中传播速度的有限性。式中的τ被称为热流迟滞时间。在cv波模型的基础上，ｊｏｓｅｐｈ和ｐｒｅｚｉｏｓｉ[8，9]从液体中剪应力波的思想出发，得到了一个ｊｅｆｆｒｅｙ型热传导方程 ｑ＋τｑq/t＝－ｋ(t+τｔt/t) (2) 该模型认为在热传播问题中，不仅热流存在着时间上的滞后（τq），而且在温度梯度上也同样存在（τｔ）。但一般认为，τｑ总是小于的τｔ，即热流在先，温度梯度的建立在后。tzou[4]对该模型作了进一步改进，得到如下形式的热传导方程 ｑ（ｔ＋τｑ）＝－ｋ（ｔ＋τｔ） (3) tzou认为热流迟滞时间和温度梯度迟滞时间并没有哪一个具有先天的优势；热流滞后时间有可能短于温度梯度滞后时间（τｑ＜τｔ），温度滞后时间也有可能短于热流滞后时间（τｔ＜τｑ），该模型被称为双相迟滞模型。以上几种模型之间有着内在的联系：ｊｅｆｆｒｅｙ型热传导方程是双相迟滞热传导方程的一阶泰勒展开近似；当ｊｅｆｆｒｅｙ型热传导方程的温度梯度滞后时间为零时，它就退化为ｃｖ波方程；当ｃｖ波方程的热流滞后时间为零时，该方程就进
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