导热系数测试-稳态法

美信检测 失效分析实验室

 

背景：

随着社会的发展和人类需求的不断扩大,各种新型材料不断产生并且广泛应用于生产生活中,这些材料往往具有其独特的性质。导热系数是一个重要的热物理参数,通常利用实验方法测定,因此精确测量各种材料尤其是新型材料的导热系数,对材料的性质分析以及安全检验等都具有很大的实用价值。 在过去的几十年里,已经发展了大量的导热系数测量方法,但是没有任何一种方法能适用于所有的应用领域。目前测量导热系数的方法可分为两大类:稳态法和非稳态法。稳态法包括:热流法,保护热流法,保护热板法等;非稳态法包括:闪光法,热线法等。其中非稳态法的测量环境要求较为苛刻,仪器价格高昂,而且操作复杂,优点是测量周期短。稳态法的原理简单,成本低廉,操作简便,但周期较长。所以在普通的实验室或简单的工程中,广泛使用稳态法。

人们希望得到高热导率并且具有很好机械性能的材料，来解决现在电子产品的很重要的散热问题，导热系数的测定对于各种材料的实际应用有着重要的意义。本文介绍的稳态热流法导热系数测定方法是基于一种被一块厚度均匀的试样隔离的两个平行等温面板之间理想化的稳态热传导。

 

1. 案例背景

接收到客户导热膏测试样品，要求根据ASTM D5470-12测试标准完成测试。

 

2. 测试方法简述

A．测试程序：

1) 利用夹具限位器，使同一导热膏样品呈现不同厚度;

2) 分别在三种厚度状态下进行测试，记录数据;

3) 求得总体热阻(Thermal Resistance, R, 单位℃/W)和热阻抗(Thermal Impedance, I, 单位℃*cm²/W)

 

试验装置示意图

 

试验记录：

1) Th: 热端面温度; 

2) Tc: 冷端面温度; 

3) P: 接触压力，Press load; 

4) Q: 热通量，Heat flux; 

5) R: 热阻，Thermal resistance; 

6) I: 热阻抗， Thermal impedance，总面积下单位热通量造成的温差; 

7) t: 样品厚度，Thicknes.

 

Th Tc P Q R I t
℃   ℃   psi   W   ℃/W   ℃*cm²/W   cm  
80.00   72.90   40.05   58.20   0.122   0.787   0.01  
80.00   70.00   40.05   53.76   0.186   1.200   0.02  
80.00   68.03   40.05   50.70   0.236   1.523   0.03  

 

B.设备图片：

 

 

C.测试结果记录

以热阻抗(I)为Y轴，厚度(t)为X轴作图。

该导热膏样品的导热系数(K)为曲线斜率的倒数即1/36.8，单位(W/cm•℃)

经单位换算，得到导热膏样品的导热系数(K)=2.72 W/m•℃

与Y轴截距（即厚度为0）为导热膏与冷热端面间的接触热阻抗。

 

 

3. 结论

对于导热膏而言基本的性能参数就是其本身的导热系数。但由于用途的差异，导热膏从低导热系数大约0.30左右到高导热系数4.0左右均有。但由于测试参考标准内并无对膏体样品测试时厚度等的要求（也就是对压力无明确规定），导致不同参数配合下导热膏的导热系数会有较大差异。给使用方验证来料带来了不少困扰。

本方法采用是不同厚度拟合的方法得到平均的导热系数，规定压力采用40psi。计算可得导热膏的导热系数(K)=2.72 W/m•℃，该样品属于高导热膏体。

 

4. 参考标准

ASTM D5470-12 热传导电绝缘材料热传导性能测试方法

 

*****结束*****