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在照明行業(yè)，導(dǎo)熱材料(如導(dǎo)熱密封膠、導(dǎo)熱灌封膠、導(dǎo)熱硅脂等)應(yīng)用比較普遍。導(dǎo)熱系數(shù)是表征導(dǎo)熱材料性能優(yōu)劣最重要的參數(shù)之一，也是材料使用者最為關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有統(tǒng)一的導(dǎo)熱產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，材料制造商會(huì)標(biāo)注各自的測(cè)試結(jié)果，但材料的導(dǎo)熱系數(shù)使用不同的測(cè)試方法測(cè)量可能導(dǎo)致最后的結(jié)果差異較大。因此，本文主要為大家介紹導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的一些常見(jiàn)測(cè)試方法以及使用的測(cè)試儀器。
根據(jù)材料特性的不同，材料制造商在進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)主要是美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM D5470、ASTM E1530、ASTM E1461和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO22007-2這四種。
1. ASTM D5470
即通常所說(shuō)的穩(wěn)態(tài)熱流法，測(cè)試原理是將厚度一定的樣品置于兩個(gè)平板（詞條“平板”由行業(yè)大百科提供）間，對(duì)樣品施加一定的熱流量和壓力，使用校正過(guò)的熱流傳感器測(cè)量通過(guò)樣品的熱流，測(cè)試樣品的厚度、熱板/冷板間的溫度梯度，然后根據(jù)不同厚度下對(duì)應(yīng)的熱流量數(shù)據(jù)作直線擬合得出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。
圖1 ASTM D5470測(cè)試原理
ASTM D5470是薄型熱導(dǎo)性固體電工絕緣材料傳熱性的試驗(yàn)方法，特別適合軟性材料如導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱硅膠在模擬實(shí)際使用工況下的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，以及各種熱接觸材料和接觸熱阻的測(cè)量。典型的測(cè)試設(shè)備為湘潭湘儀的DRL-III導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀和臺(tái)灣瑞領(lǐng)的LW-9389界面熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱阻測(cè)量裝置。
圖2 湘潭湘儀DRL-III和臺(tái)灣瑞領(lǐng)LW9389
2. ASTM E1530
其測(cè)試原理幾乎和普通的熱流法導(dǎo)熱儀相同，不同之處是在測(cè)量區(qū)域(熱板/樣品/冷板)外圍增加保護(hù)加熱器，加熱到樣品的平均溫度，通過(guò)減少樣品與周邊之間的溫差，以減少橫向的熱損耗，提高測(cè)量精度。
圖4 ASTM E1530 測(cè)試原理
ASTM E1530是用護(hù)熱式熱流計(jì)技術(shù)評(píng)定材料抗熱傳輸性的試驗(yàn)方法，理論上可以測(cè)量軟性材料(膏狀)和膜類材料，但由于試樣厚度和試樣上下兩個(gè)表面溫度的高精度測(cè)量存在較大的工程實(shí)現(xiàn)難度，因此很少用這種方法測(cè)量導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)，而且其測(cè)試導(dǎo)熱硅膠得出的數(shù)據(jù)相對(duì)ASTM D5470和ASTM E1461要大很多。典型的測(cè)試設(shè)備為美國(guó)Unitherm Model 2022導(dǎo)熱儀和德國(guó)耐馳HFM436導(dǎo)熱儀。
圖5 Unitherm Model 2202和耐馳HFM436
3. ASTM E1461
即通常所說(shuō)的閃光法/激光法,其測(cè)試原理為使用高強(qiáng)度的能量脈沖對(duì)小而薄的試樣進(jìn)行短時(shí)間的輻照，用紅外檢測(cè)器測(cè)量樣品表面的溫度變化，實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)是樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)，還需要知道試樣的比熱和密度，才能通過(guò)計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)，即λ(T) = α(T) * Cp(T) * ρ(T)。
圖6 ASTM E1461測(cè)試原理
ASTM E1461是確定固體熱擴(kuò)散率的試驗(yàn)方法，其反映的是材料自身內(nèi)部的熱傳導(dǎo)性，但沒(méi)有考慮界面接觸熱阻的影響，只能準(zhǔn)確地測(cè)量出固態(tài)材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，不適用于測(cè)量導(dǎo)熱硅脂這種膏狀軟性材料。典型的測(cè)試設(shè)備為德國(guó)耐馳氙燈導(dǎo)熱儀器LFA 447和美國(guó)TA導(dǎo)熱儀FL4010。
圖7 耐馳LFA447
4.ISO22007-2
即瞬變平面熱源法(TPS)，由熱線法改進(jìn)而來(lái)。將帶有自加熱功能的溫度探頭加載在樣品中，測(cè)試時(shí)在探頭上施加一個(gè)恒定的加熱功率，使其溫度上升，然后測(cè)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(shí)間上升的關(guān)系，通過(guò)數(shù)學(xué)模型擬合同時(shí)得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。
該測(cè)試方法相對(duì)于穩(wěn)態(tài)法具有測(cè)試范圍廣(基本模塊0.005～500W/m·K)、精度高(±3%)、重復(fù)性好(±1%)、測(cè)量時(shí)間短(單次測(cè)量≤3min)和操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn);適用的樣品形式多樣，可測(cè)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(duì)薄膜及涂層材料進(jìn)行測(cè)試;使用額外的控溫設(shè)備還能涵蓋30K～1000℃的測(cè)試溫度范圍。由于測(cè)試受到接觸熱阻的影響較小，其測(cè)試結(jié)果更貼近于材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)。典型的測(cè)試設(shè)備為瑞典的Hotdisk熱常數(shù)分析儀。
圖8 TPS測(cè)試原理和Hotdisk熱常數(shù)分析儀
結(jié)語(yǔ)：
導(dǎo)熱系數(shù)是材料本身的參數(shù)，現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展了大量的導(dǎo)熱測(cè)試方法與系統(tǒng)。然而，沒(méi)有任何一種方法能夠適合于所有的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于特定的應(yīng)用場(chǎng)合，也并非所有方法都能適用。應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，溫度，壓力，樣品的特性，儀器的使用環(huán)境等都會(huì)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)果產(chǎn)生影響，材料的導(dǎo)熱系數(shù)不能用不同測(cè)試方法測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。要得到準(zhǔn)確和有參考意義的測(cè)量值，必須選擇合適的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)量。
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