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穩態法測試導熱系數樣例解說

2017/08/02

  背景:
  隨著社會的發展和人類需求的不斷擴大,各種新型材料不斷產生并且廣泛應用于生產生活中,這些材料往往具有其獨特的性質。導熱系數是一個重要的熱物理參數,通常利用實驗方法測定,因此精確測量各種材料尤其是新型材料的導熱系數,對材料的性質分析以及安全檢驗等都具有很大的實用價值。 在過去的幾十年里,已經發展了大量的導熱系數測量方法,但是沒有任何一種方法能適用于所有的應用領域。目前測量導熱系數的方法可分為兩大類:穩態法和非穩態法。穩態法包括:熱流法,保護熱流法,保護熱板法等;非穩態法包括:閃光法,熱線法等。其中非穩態法的測量環境要求較為苛刻,儀器價格高昂,而且操作復雜,優點是測量周期短。穩態法的原理簡單,成本低廉,操作簡便,但周期較長。所以在普通的實驗室或簡單的工程中,廣泛使用穩態法。
  人們希望得到高熱導率并且具有很好機械性能的材料,來解決現在電子產品的很重要的散熱問題,導熱系數的測定對于各種材料的實際應用有著重要的意義。本文介紹的穩態熱流法導熱系數測定方法是基于一種被一塊厚度均勻的試樣隔離的兩個平行等溫面板之間理想化的穩態熱傳導。
  1. 案例背景
  接收到客戶導熱膏測試樣品,要求根據ASTM D5470-12測試標準完成測試。
  2. 測試方法簡述
  A.測試程序:
  1) 利用夾具限位器,使同一導熱膏樣品呈現不同厚度;
  2) 分別在三種厚度狀態下進行測試,記錄數據;
  3) 求得總體熱阻(Thermal Resistance, R, 單位℃/W)和熱阻抗(Thermal Impedance, I, 單位℃*cm?/W)
  穩態法
  試驗裝置示意圖
  試驗記錄:
  1) Th: 熱端面溫度;
  2) Tc: 冷端面溫度;
  3) P: 接觸壓力,Press load;
  4) Q: 熱通量,Heat flux;
  5) R: 熱阻,Thermal resistance;
  6) I: 熱阻抗, Thermal impedance,總面積下單位熱通量造成的溫差;
  7) t: 樣品厚度,Thicknes.
試驗記錄
  B.設備圖片:
  穩態法
  C.測試結果記錄
  以熱阻抗(I)為Y軸,厚度(t)為X軸作圖。
  該導熱膏樣品的導熱系數(K)為曲線斜率的倒數即1/36.8,單位(W/cm?℃)
  經單位換算,得到導熱膏樣品的導熱系數(K)=2.72 W/m?℃
  與Y軸截距(即厚度為0)為導熱膏與冷熱端面間的接觸熱阻抗。
  穩態法
  3. 結論
  對于導熱膏而言基本的性能參數就是其本身的導熱系數。但由于用途的差異,導熱膏從低導熱系數大約0.30左右到高導熱系數4.0左右均有。但由于測試參考標準內并無對膏體樣品測試時厚度等的要求(也就是對壓力無明確規定),導致不同參數配合下導熱膏的導熱系數會有較大差異。給使用方驗證來料帶來了不少困擾。
  本方法采用是不同厚度擬合的方法得到平均的導熱系數,規定壓力采用40psi。計算可得導熱膏的導熱系數(K)=2.72 W/m?℃,該樣品屬于高導熱膏體。
  4. 參考標準
  ASTM D5470-12 熱傳導電絕緣材料熱傳導性能測試方法

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