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热阻及热导率的测量方法

文章出处:万家博官网 人气:发表时间:2021-01-11 13:55

  热阻及热导率测试方法 范围 本方法规定了导热材料热阻和热导率的测试方法。本方法适用于金属基覆铜板热 阻和导热绝缘材料热阻和热导率的测试。 术语和符号 术语 热触热阻 contact resistance 是测试中冷热两平面与试样表面相接触的界面产生热流量所需的温差。接触热阻 的符号为RI 面积热流量 areic heat flow rate 指热流量除以面积。 符号 下列符号适用于本方法。 λ:热导率,W/(m﹒K); A:试样的面积,m2; H:试样的厚度,m; Q:热流量,W 或者 J/s; q:单位面积热流量,W/ m2; R:热阻,(K﹒m2)/W。 原理 本方法是基于测试两平行等温界面中间厚度均匀试样的理想热传导。试样两接触界面间的温 度差施加不同温度,使得试样上下两面形成温度梯度,促使热流量全部垂直穿过试样测试表 面而没有侧面的热扩散。 使用两个标准测量块时本方法所需的测试: T1=高温测量块的高温,K; T2=高温测量块的低温,K; T3=低温测量块的高温,K; T4=低温测量块的低温,K; A=测试试样的面积,m2; H=试样的厚度,m。 基于理想测试模型需计算以下参数: TH:高温等温面的温度,K; TC:低温等温面的温度,K; Q:两个等温面间的热流量 热阻:两等温界面间的温差除以通过它们的热流量,单位为(K﹒m2)/W; 热导率:从试样热阻与厚度的关系图中计算得到,单位为W/(m.K)。 接触热阻存在于试样表面与测试面之间。接触热阻随着试样表面特性和测试表面施加给试样 的压力的不同而显著变化。因此,对于固体材料在测量时需保持一定的压力,并宜对压力进 行测量和记录。热阻的计算包含了试样的热阻和接触热阻两部分。 试样的热导率可以通过扣除接触热阻精确计算得到。即测试不同厚度试样的热阻,用热阻相 对于厚度作图,所得直线段斜率的倒数为该试样的热导率,在厚度为零的截取值为两个接触 界面的接触热阻。如果接触热阻相对于试样的热阻非常小时(通常小于1%),试样的热导率 可以通过试样的热阻和厚度计算得出。 通过采用导热油脂或者导热膏涂抹在坚硬的测试材料表面来减小接触热阻。 仪器 符合本测试方法的一般特点要求的仪器见图A.1和图A.2。该套仪器增加测厚度及压力监测等 功能,加强了测试条件的要求来满足测试精度需要。 仪器测试表面粗糙度不大于0.5μm;测试表面平行度不大于5μm。 精度为1μm归零厚度测试仪(测微计、LVDT、激光探测器等)。 压力监测系统。 图A.1 使用卡路里测量块测试架 图A.2 加热器保护的测量架 热源可采用电加热器或是温控流体循环器。主热源部分必需采用有保护罩进行保护,保护罩 与热源绝缘,与加热器保持±0.2K的温差。避免热流量通过试样时产生热量损失。无论使用 哪一种热源,通过试样的热流量可以用测量块测得。 热流量测量块由测量的温度范围内已知其热导率的高热导率材料组成。为准确测量热流量, 必须考虑热传导的温度灵敏度。推荐测量块材料的热导率大于50 W/(m.K)。 通过推算测量块温度与测试表面的线性关系(Fourier传热方程),确定测量块的热端和冷端 的表面温度。 冷却单元通常是用温度可控的循环流体冷却的金属块,其温度稳定度为±0.2 K。 试样的接触压力通过测试夹具垂直施加在试样的表面上,并保持表面的平行性和对位。 试样 金属基覆铜板试样要求 金属板厚度:1.0mm 铜箔厚度:35 μm 绝缘层厚度:75μm±5μm 试样尺寸为25.4mm×25.4mm或适用于仪器测试探头的尺寸,试样表面平整,试样数量为1块。 用砂纸打磨边缘至光滑 导热绝缘材料试样要求 试样采用压制成厚度均匀的、厚度约0.25mm、0.50mm和0.75mm的绝缘基材。 各种厚度的试样剪切成尺寸25.4mm×25.4mm或适用于仪器测试探头的尺寸,试样数量各1块。 程序 采用仪器自带的归零型厚度测试仪对试样进行测厚,并记录为H。 启动热端、冷端装置,使之稳定在特定的温度点,使T2、T3的平均温度值为60±2℃。 在试样的上下表面涂抹层导热膏,并将试样放入测试架上,闭合测试架,根据试样的特性施 加适当的压力,使热阻测量值稳定。并对压力进行测量和记录。 记录测量块的温度和平衡时电加热器的电压和电流。在恒定功率下,间隔五分钟的两次温度 读数相差小于±0.1℃或者间隔五分钟热阻变化小于1%时,认为达到平衡。 计算 热流量 使用测试块卡路里测试仪时的热流量: 按以下公式计算测试块的热流量: Q12 = l12 ? d A ? [T1 - T2 ] ................................(0.1) Q34 = l34 ? d A ? [T3 - T4 ] ................................(0.2) 上述3个公式中: Q = Q12 + Q34 ....................................(0.3) 2 Q12:热测试块的热流量,单位为W; Q34:冷测试块的热流量,单位为 W; Q:穿过试样的平均热流量,单位为 W; λ12:热测试块材料的热导率,单位为 W/(m﹒K); λ34:冷测试块材料的热导率,单位为 W/(m﹒K); A:所用卡路里测量块的面积,单位为 m2; T1-T2:热测试块的温度传感器的温差,单位为 K; T3-T4:冷测试块的温度传感器的温差,单位为 K; d:测试块中温度传感器的距离,单位为m。 没有使用卡路里测量块测试仪时的热流量: 按以下公式计算热流量: Q = V ? I ..............................(0.4) 式中: Q:热流量,单位为 W; V:加热器使用的电压,单位为 V; I:加热器使用的电流,单位为A 热测试块表面温度 按以下公式计算与试样表面的热测试块表面温度: TH = T2 - d d B A [T1 - T2 ] .................................(0.5) 式中: TH:与试样接触的热测试块表面的温度,单位为 K; T1:热测试块的较高温度,单位为 K; T2:热测试块的较低温度,单位为 K; dA:T1 与 T2 之间的距离,单位为 m dB:T2到与试样接触的热测试块表面的距离,单位为m。 冷测试块表面温度 按以下公式计算与试样接触的冷测试块表面温度: TC = T3 - dD dC [T3 - T4 ] .................................(0.6) 式中: TC:与试样接触的冷测试块表面的温度,单位为 K; T3:冷测试块的较高温度,单位为 K; T4:冷测试块的较低温度,单位为 K; dC:T3 与 T4 之间的距离,单位为 m dD:T3到与试样接触的冷测试块表面的距离,单位为m。 绝缘材料热阻 按以下公式计算绝缘材料热阻,单位为(K﹒m2)/W: R = A Q ?[TH - TC ] ................................ (0.7) 金属基覆铜板热阻 金属基覆铜板热阻为按公式A.7计算值减去按A.6.3测定的接触热阻RI。 绝缘材料热导率 热导率通过试样热阻与相应的试样厚度作图求得。在图中,试样的厚度值为x轴,试样的热 阻为y轴(见图A.3)。 图A.3 热阻与厚度关系图 曲线是一条直线段,斜率的倒数就是热导率,在厚度为零的截距就是特定试样、特定的压力、 特定的加压面积下的接触热阻R1。 可以选择使用最小二乘法或线性回归分析计算斜率和截距。 对于单个试样,如果接触热阻相对于试样的热阻非常小时(通常小于1%),试样的热导率可 通过试样的热阻R和厚度H计算得出,计算公式如下: l=H R 报告 a) 试样名称、厚度; b) 测试过程中使用的压力; c) 从A.7.5得到的金属基覆铜板热阻; d) 从A.7.6得到的绝缘材料热导率。 .......................................(0.8)

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