高温超导材料和新型大冷量低温制冷机的出现,在超导科学研究和超导技术产品研发中改变了过去一直用低温液体(液氦、液氢、液氮等)作为冷源的历史,代之以制冷机直接冷却技术在各种需要低温冷却的场合得到快速推广和应用。制冷机直接冷却技术的特点是以固体材料间的热输运方式来进行工作,达成降温和热管理的目的,因此固体材料热物性及相互间接触界面热输运成为直接冷却中的关键技术环节和基础科学问题。直接冷却高温超导低温系统的主要任务是保证提供足够的冷量以平衡系统热负荷及热扰动,并与超导电系统融合,实现整体系统的小型化、一体化。为实现高温超导直接冷却技术,必须使系统被冷却各部件的漏热和各种发热(包括焦耳热、磁滞损耗、涡流损耗、自场损耗等)的总和控制在制冷机所能提供的冷量范围内,并对直接冷却高温超导系统热设计进行优化,使运行温度、热负荷、系统各部件尺寸、电学参数乃至运行成本等达到最佳匹配。对于超导系统的热稳定性、各主要超导器件工作温度而言,界面热输运特性起着主要影响作用。本课题依托863国家高技术项目(2002AA306331-4)、国家自然科学基金(51076013)、教育部博士学科专项基金(20040487039)项目的支持,从微结构低温工程学观点出发,将高温超导直接冷却中固体界面热输运特性和机理研究作为切入点,构建了直接冷却实验系统平台,对高温超导磁储能(SMES)磁体样品进行了直接冷却特性实验,得到磁体样品低温稳定工况下的表面温度分布和降温特性。在磁体热分析中针对直接冷却高温超导磁体,提出最大允许接触界面热阻概念。接触界面热阻的大小直接反映了高温超导直接冷却导热结构设计的优劣,是一个重要的热设计指标。由于与常温环境连接,超导系统电流引线是重要的漏热源,以高温超导二元电流引线代替气冷铜引线,使超导电系统中由电流引线产生的漏热和焦耳热明显降低,降低了相应制冷系统的不可逆性,也使制冷机直接(传导)冷却超导系统的建立成为可能。有限时间热力学通过建立比较接近实际过程的理论和分析方法,获得在有限时间、有限尺寸传热面积、有限温差下的最小制冷机功耗或最大制冷量。对高温超导二元电流引线进行有限时间热力学分析,研究接触界面热阻对二元电流引线热设计的影响,是高温超导制冷机直接冷却系统热设计的重要内容之一；进一步对高温超导Peltier二元电流引线进行优化,得到制冷机最小功耗与引线电流密度、儿何参数、中间截流温度等参数的关系。可以优化高温超导引线长度使制冷机功耗最小,同时在满足电流密度要求的前提下优化热截流点温度,降低电流引线的漏热。AlN是一种先进的陶瓷材料,广泛用于功率电子器件、微电子集成电路器件封装、光电器件的散热模块等领域,在直接冷却高温超导系统中,AlN可以用于大电流超导器件及铜引线电路的绝缘导热分离垫片,氮化铝本身及与超导材料、铜引线间接触界面的热传导特性,对直接冷却系统热设计具有重要价值。在直接冷却低温实验平台上,对高温超导直接冷却用高导热高绝缘AlN材料与高热导率无氧铜(OFHC)间接触界面热阻进行了实验研究,获得40～140K温区范围内的AIN/OFHC接触界面热导和AlN热导率数据。AIN/OFHC接触热导随界面温度的升高而增大,同时随加载在界面上的外压力增加而增大;AlN热导率随温度的变化表现出与接触热导相同的变化规律,AlN热导率的变化规律由热载子-声子、电子的散射特点决定。构建了低温接触界面热阻的激光光热测试台,对Bi2223、Cu、Al等材料中Bi2223/Cu、Cu/Al配对的接触界面热阻进行了实验测量和研究,获得的结果与公开发表文献趋势一致,表明运用调制激光光热方法测量接触界面热阻是有效可行的研究途径。微结构低温工程学认为,低温固体间接触界面传热建立在三维界面层概念基础上,接触界面不是简单的二维平面,而是具有微米(纳米)级厚度的薄层。声子行为受界面层内原子或分子晶格、晶格错排、晶体缺陷、边界等的影响,其在界面层内的散射机制异常复杂。调制激光光热法能够对温度波通过界面层发生的相位和幅值变化所携带局部点的热输运特征信息进行测量、转换和检测,获得界面层上该点局部传热特征信息,能够测定界面层横截面内某一局部点的接触界面热导(热阻)。它克服了稳态轴向热流法只能测量接触面平均接触热导的局限性,能够给出界面层内接触热导的全景特征。基于微结构低温工程学观点和AMM和DMM界面热阻模型、以及接触热阻的形貌预测模型,提出了预测直接冷却应用条件下的低温接触界面热阻预测模型——形貌-界面层散射模型。该模型具体体现了“三维界面层”概念,可以对“三维界面层”热阻进行较为准确的计算。