[科普中国]-超急速传热

研究进展

随着工程技术的发展，特别是激光加热、金属快速凝固以及器件的小型化等现代高新技术的发展，带来了许多热作用时间极短、瞬时热流密度极高、温度变化极为迅速、尺度微观的超常传热行为并成为了当前研究热点。Peshkov 最早在超低温液氦Ⅱ的实验中发现热量以波动的形式以有限速度传播，随后人们发现当热作用时间极短或器件尺寸微细化后，热量将以有限速度传播，而这个与经典傅里叶定律描述的热量以无限大速度传播相矛盾。为了克服这个缺陷，研究者基于超常传热的物理机制，建立起各种考虑有限热传播速度的非傅里叶热传导模型。最早是由 Cattaneo 首先对傅里叶扩散模型进行了修正，随后有单相延迟模型、修正双曲型模型、微观两步模型、纯声子散射模型、双相延迟模型等。受实验难度影响，目前针对超急速传热行为的研究大多以理论分析为主，即采用上述的非傅里叶导热模型，对这些超常行为进行求解分析。目前主要采用解析求解和数值求解的方法，王颖泽等采用解析的方法求解了超急速传热****过程中热弹性响应；王文亭等人采用数值的方法求解了飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度；何天虎等应用拉普拉斯变换及数值反变换技术研究了一半无限大金属薄膜在边界上受简谐温度作用的一维热传导问题。Jiang运用 Laplace 变换法研究了空心球体在内外两个表面温度突然变化时的双曲型热传导问题。这些模型都很好的描述了在超急速传热过程中热量以有限速度传播。1

传热解析分析热惯性效应超急速传热过程中热惯性效应的解析分析

基于热质的概念，根据牛顿力学分析方法建立了温度突变加热条件下热质运动的波动方程。借助Laplace正逆变换，推导了半无限大薄板外表面受热冲击作用下热惯性效应的解析表达式，给出了超急速传热过程中热波的传递规律，揭示了热质惯性对传热行为的影响：

（1）受到热质惯性的影响，热量以有限速度传播，呈阶跃性分布，在波前尚未到达的区域内，温度保持初始值不变。

（2）当热作用时间与弛豫时间和特征长度相当时，非傅里叶现象很明显，且当τ0→0，l→0时，热惯性效应消失，此时传热过程将会变成常见的傅里叶形式。

（3）当忽略热流加速的时间惯性时，由于空间效应的存在，热量仍以有限速度传播，很好的解释了稳态下非傅里叶现象。可以更普适的描述热量的传递过程。1

热弹性响应超急速传热过程中热弹性响应的解析分析

基于L-S广义热弹性理论，借助于Laplace正逆变换，在弱化耦合作用的基础上推导了一维超急速传热问题热弹性响应的解析解。通过对超急速传热过程中温度场、位移场以及应力场的求解分析，得到如下结论：

(1)在超急速传热过程中，热量以有限的速度传播，且热波的传播速度与热松弛时间的平方根呈反比关系。随着热松弛时间的递增，热流矢与温度梯度之间的延迟效应增大，热量传播的延迟区域不断扩大。当热松弛时间一定时，随着热作用时间的递增，热波的波前不断向前推进，热延迟区域逐渐减小。

(2)在热波及弹性波共同作用下，在弹性体内部区域形成应力集中，应力峰值点及大小与热松弛时间密切相关，热松弛时间越大，延迟效应越明显，热冲击效应越弱。2

冲击温度飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度

利用飞秒脉冲激光烧蚀金属的双温模型以及非傅里叶热传导模型,算得飞秒激光烧蚀铝靶和铜的冲击温度以及冲击温度的分布.在脉宽为50fs和能量密度为2×10−3J/cm2的激光脉冲作用下,铝靶和铜靶的冲击温度分别为1210K和2160K.计算结果表明,铝靶和铜靶的冲击温度的传播表现出波动性,并且铝靶的冲击温度振荡较铜靶的剧烈.分析表明,靶材的表面反射率、吸收系数以及电子比热容等材料参数是影响冲击温度大小的根本原因.对于给定靶材,冲击温度随激光能量密度的增加而增加,随脉宽的增加而减小.飞秒激光烧蚀固体靶冲击温度绝对值的确定,对安全操控飞秒激光加工含能材料具有重要意义.3

实际应用应用发现1960年,美国科学家Duwez等首先发现,高温液态金属在103~107K/s的冷却速度下快速凝固,使合金组织和性能发生了重大变化。这一发现,为全世界的物理冶金和材料科学工作者开辟了一个全新的领域。30多年来,关于金属快速凝固工艺的研究有了长足的进展,发展了熔体溅射急冷法,雾化急冷法,表面急速熔凝法等多种快凝工艺。大量的研究结果表明,快速凝固可以实现对合金凝固过程的结晶控制与偏析控制,使晶粒细化2一3个数量级,可以得到非晶体合金,从而使材料的各项性能,包括强度、塑性、耐磨性、耐蚀性、磁性以及触媒效率等都有了大幅度提高和显著的改善。4

应用原理金属性能与晶相组织之所以能在快速凝固时发生显著的变化,主要源于超常传热条件下的超常相变。金属快速凝固过程实质上是一种非平衡凝固过程。由于在快凝过程中,液/固相变界面的前进速度很快,当晶体生长速度超过液相中溶质原一子的扩散速度时,固液界面前沿的溶质原子将部分或全部被生长着的固相所吞没,即发生所谓溶质捕获,最后导致材料内部结构偏离平衡态,出现过饱和固溶体,使材料处于亚稳态。正是这种非平衡的相变过程给新材料的箭体结构和性能带来了一系列重大变异。4