來源：賽寶可靠性

作者：張瑩潔、王子涵 

隨著科技的發(fā)展，導(dǎo)熱界面材料在微電子、電工電氣、太陽能、汽車電子、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，但是大家對于材料導(dǎo)熱性能的測試卻不那么清楚，材料的導(dǎo)熱性能受到熱阻、硬度、厚度等參數(shù)的影響，然而評價一個材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)是導(dǎo)熱系數(shù)，它用來表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是衡量材料傳導(dǎo)熱能的一個重要基本物理參數(shù)。然而想要準(zhǔn)確測量一個材料的導(dǎo)熱系數(shù)并不是件容易的事情，不同的測試方法適合不同的材料，選對方法才能使我們準(zhǔn)確得知材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而對材料有一個更深入的認(rèn)識。下面讓我們來看看市面上常見的幾種導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法：在介紹具體的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法前，首先我們先來大體了解一下不同種類的測試方法，總體分為兩類，穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法對比

穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法各有千秋，其分支也是方法眾多，如圖1所示。

           

圖1 熱導(dǎo)率測量方法

下面我們將從穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法中各選取兩種具體的測量方法，從原理、標(biāo)準(zhǔn)、樣品適用性等方面對比不同的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法。

01 熱流法（穩(wěn)態(tài)法）

適用標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5470-17：StandardTest Method for Thermal Transmission Properties of Thermally ConductiveElectrical Insulation Materials.

穩(wěn)態(tài)熱流法測試時要將待測樣品放置于上下兩個金屬棒之間，施加一定作用力使金屬棒端部貼緊試樣，減少接觸界面間的空氣間隙和接觸熱阻。由熱源(Heat Source)提供可控制的輸入熱量，經(jīng)過金屬棒→試樣→金屬棒。根據(jù)通過試樣的平均熱流與溫差測試熱阻抗，根據(jù)熱阻和厚度的比值計算導(dǎo)熱系數(shù)，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)熱流法原理及結(jié)構(gòu)示意圖

該方法適用于導(dǎo)熱系數(shù)較小的固體材料、纖維材料和多空隙材料，同時適用于均質(zhì)及非均質(zhì)之導(dǎo)熱電絕緣熱界面材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱阻抗測試，如：導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱片、導(dǎo)熱膠、硅橡膠、基板、鋁基板、覆銅基板、軟板等熱傳導(dǎo)系數(shù)＜20/m℃的材料。

02 防護熱板法（穩(wěn)態(tài)法）

適用標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 1530-11：Standard Test Method for Evaluating the Resistance to ThermalTransmission of Materials by the Guarded Heat Flow Meter Technique.

防護熱板法的工作原理與熱流法類似，一般采用雙試件保護平板結(jié)構(gòu)，在熱板上下兩側(cè)各對稱放置相同的樣品和冷板，如圖3所示，試件周圍由保護層，主加熱板周圍環(huán)有輔助加熱板，以保證一維導(dǎo)熱狀態(tài)，達到一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱狀態(tài)時，根據(jù)傅里葉定律可得導(dǎo)熱系數(shù)：

式中，q—主加熱板的加熱功率，單位W；δ—樣品厚度，單位m；A—樣品橫截面積，單位m²。

圖3 防護熱板法結(jié)構(gòu)原理圖

在已知樣品尺寸、主加熱板加熱功率后，利用熱電偶測得兩樣品上下表面的溫度，由上式即可求得材料在四個溫度的平均溫度時的導(dǎo)熱系數(shù)。該法可用于溫度范圍更大、量程較廣的場合，誤差較小且可用于測定低溫導(dǎo)熱系數(shù)。缺點是穩(wěn)定時間較長，不能測定自然含水狀態(tài)下材料的導(dǎo)熱系數(shù)，需先對樣品進行干燥處理而且樣品厚度對結(jié)果精度有較大影響。

03 激光閃射法（瞬態(tài)法）

適用標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E 1461-13：Standard Test Method for ThermalDiffusivity of Solids by the Flash Method. & GB/T 22588-2008: 閃光法測量熱擴散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)。

激光閃射法是一種用于測量高導(dǎo)熱界面材料與小體積固體材料的技術(shù)，在一定的設(shè)定溫度T（由爐體控制的恒溫條件）下，由激光源或閃光氙燈在瞬間發(fā)射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時升高，并作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端（上表面）傳播。

圖4激光閃射法示意圖

使用紅外檢測器連續(xù)測量樣品上表面中心部位的相應(yīng)溫升過程，得到溫度（檢測器信號）升高對時間的關(guān)系曲線以及溫升達到最大值的二分之一時的時間（t1/2），通過公式計算得到熱擴散系數(shù)α，其中δ是樣品厚度

導(dǎo)熱系數(shù)計算公式：

激光閃射法不僅能測量普通固體樣品的導(dǎo)熱性能，通過使用合適的夾具或樣品容器并選用合適的熱學(xué)計算模型，還可測量諸如液體、纖維、薄膜、熔融金屬、基質(zhì)上的涂層、多層復(fù)合材料、各向異性材料等特殊樣品的熱擴散系數(shù)并計算導(dǎo)熱系數(shù)。高導(dǎo)熱樣品需要厚一點，而低導(dǎo)熱樣品需要薄一點。

04 平面熱源法（瞬態(tài)法）

適用標(biāo)準(zhǔn)：ISO 22007-2:2015 Plastics --Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity -- Part 2:Transient plane heat source (hot disk) method.

將帶有自加熱功能的溫度探頭加載在樣品中，測試時在探頭上施加一個恒定的加熱功率，使其溫度上升，然后測量探頭本身和與探頭相隔一定距離的圓球面上的溫度隨時間上升的關(guān)系，通過數(shù)學(xué)模型擬合同時得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。

探頭表面平均溫升：

其中，P0—探頭輸出功率，r —探頭半徑，通過瞬態(tài)曲線斜率可以計算出導(dǎo)熱系數(shù)。

圖5 平面熱源法示意圖

適用該方法的樣品形式多樣，可測試固體，液體，膠體，粉末，帶有孔隙的材料以及各向異性材料，也可對薄膜及涂層材料進行測試。該方法具有可直接測量熱傳導(dǎo)，節(jié)約時間；測試范圍寬，精度高；不受接觸熱阻的影響；只需平整的樣品表面，無須特別的樣品制備。同時，不同型號的探頭對樣品尺寸有不同的要求。

同樣的，一個導(dǎo)熱界面材料性能好壞并不能僅僅看其導(dǎo)熱系數(shù)的大小，與其自身性能也有很大關(guān)系，以導(dǎo)熱硅脂為例，我們來看看除了導(dǎo)熱系數(shù)我們還需要知道它的哪些性能才能投入使用呢。

表2 導(dǎo)熱硅脂常規(guī)性能測試

從表2中我們可以看到除了導(dǎo)熱系數(shù)以外還是有很多導(dǎo)熱界面材料常規(guī)性能測試需要做，不同的導(dǎo)熱界面材料對應(yīng)的常規(guī)性能測試也是不同的。

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