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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)。目前國內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的導(dǎo)熱產(chǎn)品測試標(biāo)準(zhǔn)，材料制造商會標(biāo)注各自的測試結(jié)果，但材料的導(dǎo)熱系數(shù)使用不同的測試方法測量可能導(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)測試標(biāo)準(zhǔn)中的一些常見測試方法以及使用的測試儀器。
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)測試時使用的標(biāo)準(zhǔn)主要是美國材料與試驗協(xié)會的ASTM D5470、ASTM E1530、ASTM E1461和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO22007-2這四種。
1. ASTM D5470
即通常所說的穩(wěn)態(tài)熱流法，測試原理是將厚度一定的樣品置于兩個平板（詞條“平板”由行業(yè)大百科提供）間，對樣品施加一定的熱流量和壓力，使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，測試樣品的厚度、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)熱硅膠在模擬實際使用工況下的導(dǎo)熱系數(shù)測試，以及各種熱接觸材料和接觸熱阻的測量。典型的測試設(shè)備為湘潭湘儀的DRL-III導(dǎo)熱系數(shù)測試儀和臺灣瑞領(lǐng)的LW-9389界面熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱阻測量裝置。
圖2 湘潭湘儀DRL-III和臺灣瑞領(lǐng)LW9389
2. ASTM E1530
其測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，通過減少樣品與周邊之間的溫差，以減少橫向的熱損耗，提高測量精度。
圖4 ASTM E1530 測試原理
ASTM E1530是用護(hù)熱式熱流計技術(shù)評定材料抗熱傳輸性的試驗方法，理論上可以測量軟性材料(膏狀)和膜類材料，但由于試樣厚度和試樣上下兩個表面溫度的高精度測量存在較大的工程實現(xiàn)難度，因此很少用這種方法測量導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)，而且其測試導(dǎo)熱硅膠得出的數(shù)據(jù)相對ASTM D5470和ASTM E1461要大很多。典型的測試設(shè)備為美國Unitherm Model 2022導(dǎo)熱儀和德國耐馳HFM436導(dǎo)熱儀。
圖5 Unitherm Model 2202和耐馳HFM436
3. ASTM E1461
即通常所說的閃光法/激光法,其測試原理為使用高強(qiáng)度的能量脈沖對小而薄的試樣進(jìn)行短時間的輻照，用紅外檢測器測量樣品表面的溫度變化，實際測得的數(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，才能通過計算得到導(dǎo)熱系數(shù)，即λ(T) = α(T) * Cp(T) * ρ(T)。
圖6 ASTM E1461測試原理
ASTM E1461是確定固體熱擴(kuò)散率的試驗方法，其反映的是材料自身內(nèi)部的熱傳導(dǎo)性，但沒有考慮界面接觸熱阻的影響，只能準(zhǔn)確地測量出固態(tài)材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，不適用于測量導(dǎo)熱硅脂這種膏狀軟性材料。典型的測試設(shè)備為德國耐馳氙燈導(dǎo)熱儀器LFA 447和美國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。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(kuò)散系數(shù)。
該測試方法相對于穩(wěn)態(tài)法具有測試范圍廣(基本模塊0.005～500W/m·K)、精度高(±3%)、重復(fù)性好(±1%)、測量時間短(單次測量≤3min)和操作簡便的特點;適用的樣品形式多樣，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(jìn)行測試;使用額外的控溫設(shè)備還能涵蓋30K～1000℃的測試溫度范圍。由于測試受到接觸熱阻的影響較小，其測試結(jié)果更貼近于材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)。典型的測試設(shè)備為瑞典的Hotdisk熱常數(shù)分析儀。
圖8 TPS測試原理和Hotdisk熱常數(shù)分析儀
結(jié)語：
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)熱測試方法與系統(tǒng)。然而，沒有任何一種方法能夠適合于所有的應(yīng)用領(lǐng)域，對于特定的應(yīng)用場合，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)境等都會對導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)果產(chǎn)生影響，材料的導(dǎo)熱系數(shù)不能用不同測試方法測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。要得到準(zhǔn)確和有參考意義的測量值，必須選擇合適的測試方法進(jìn)行測量。
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