導熱系數測試儀

一：儀器概述

該熱物性測試儀采用*的瞬變熱流法及縱向熱流技術，具有方便、快捷、的特點，可用來測量各種不同類型材料的熱導率、熱擴散率以及熱熔，適用的熱導系數范圍0.015-100W/MK之間，適用樣品類型：固體、粉末、涂層、薄膜、液體、各向異性材料等多種不同形式材料。參照標準GB5598-85,GB3399-82,GB11205-89. 適應ASTM D5470，但它也使用熱結構-函數分析以使結果更，符合MIL-I-49456A，絕緣片材，導熱樹脂，熱導玻纖等。

    該儀器可自動測試薄的導熱材料的熱阻抗與熱導率參數。這些材料一般在電子封裝業普遍使用，也可以測試一些軟的或硬的、半液體或粘性的材料。熱導率是描述材料熱傳導性能的重要參數。儀器通常可以適應測定熱導率范圍從高到中等的材料，接觸壓力范圍在10~550psi（70~3800Kpa）手動加壓或液壓，樣品溫度范圍為15~70℃，也可到600—1000℃，后者需要定制裝置。 測試時，樣品被箝緊在兩個平行的導熱面之間（或者選擇懸浮式非平行面），一面是加熱面，一面是冷卻面，所有數據通過計算機測試軟件采集并分析輸出結果。

二：主要技術參數

1. 樣品尺寸：直徑50mm，厚度0-50mm

2. 導熱系數范圍：0.005-40w/MK，精度≤±3%,重復性≤±1%

3．熱擴散率測量精度：5%

4.比熱測量精度：7%（需配比熱測試模塊）

5. 溫度范圍：-40-600攝氏度(精度±1攝氏度)

6. 接觸壓力范圍：50-650kPa （手動）

7. 接觸壓力精度：±3% （帶顯示裝置時）

8. 樣品有效測量厚度：0-9mm

9. 外接循環冷卻液

10.配有完整的測試系統及軟件平臺。

11.操作采用全自動熱分析測試軟件，快速準確對樣品進行試驗過程參數分析和報 告輸出。

12. 可配接不同的模塊接頭滿足多種環境下的檢測。

13．該儀器包含了對薄的電絕緣材料熱阻的測試方法。

三：原理簡介

     熱流測量能提供一些只靠溫度測量是無法得到的、非常重要而且詳    盡的數據，DRX-II系列熱流儀因為采用校準裝置而使其具備了*精度和準確性。其操作也非常的簡便。DRX-II系列熱流儀廣泛應許多個行業。原理：熱流分析基于以下原理：如果一薄片的熱傳導率為λ（kcal/m•h•℃），厚度為d（m），將其接觸在熱輻射物表面。當達到平衡后，穿過薄片的熱傳導強度Q（kcal/m2•h或W/ m2）可由以下公式得出： Q=λ/d ×△T

   式中△T＝薄片兩邊的溫度差，λ，d均為已知數據。

主要特點

  1. 全自動操作，包括軟件

  2. 可選固定平行板或懸浮測試板（根據用戶需要定）

  *3. 自動測定厚度（根據用戶需要定）

  4. 可選樣品---溫度控制與溫度批測試

 * 5. 自動壓力控制與壓力批測試（根據用戶需要定）

 * 6. 受控厚度與壓力測試模式（根據用戶需要定）

  7. 標準計算機接口

  8. 內置校驗程序

  9. 堅固的設備支架

      所有的測試參數以及過程均通過人機交互圖形界面軟件控制。接觸壓力與樣品溫度可以自動測定與控制，數據顯示簡單清晰，并繪制熱參數對厚度的曲線圖。通過這些數據可以決定表面接觸熱阻以及熱導率。測試時間可以自動控制以使時間與精度兩者得到權衡。設備需要配置溫度控制的循環冷卻水浴，以及一臺聯想臺式電腦，用于運行Windows-XP，電腦與測試設備通過接口連接，電源為220VAC/50Hz。

四：數據處理及操作

一：標準測試方法

1：儀器對薄的電絕緣材料熱阻的測試方法，可以應用于厚度在0.02～30mm導熱性單體或復合片材。“熱導”只適用于均質材料。導熱絕緣材料通常是復合材料，其中包括：填料、黏合劑、增強劑，例如：玻璃纖維網狀結構或是聚合物薄膜鋪層。為了避免混亂，使用“表面熱導”來衡量均質和非均質材料。計算熱導有一限制條件：必須測量試樣的厚度。熱阻的測量數據受到以下因素影響：相關的壓力、試樣表面特性和其他的傳熱方式。

  參考文獻：

    ASTM標準：D374,固體電絕緣材料的厚度測試方法；E691，處理實驗室研究的實例，確定測試方法的性。E1225，利用G-C-L熱流動技術測量固體熱導。

  軍事標準：MIL-I-49456A，絕緣片材，導熱樹脂，熱導玻纖增強。

  標準GB5598-85《氧化鈹瓷導熱系數測試方法》等。

2：關于試樣的定義：

  1、平均溫度（表面），n-面積測量表示溫度

  2、復合材料，由不同部分構成的材料，各部分可以對材料的性能貢獻是成比例的，或是有協同效應。

  3、熱加速器/傳感器，由絕緣線圈裝配組成，可以提供可測量的熱量  并可以應用于判斷溫度。

  4、均質材料，材料具有穩定的性能，其性能與材料的位置不成函數關系。

  5、熱導系數（λ），熱導的時速，在穩定條件下，通過單元面積的熱流。每單元溫度斜率在垂直該面積上。

  6、熱阻（θ），材料對熱流動的阻礙。

  7、界面熱阻（R_I），溫度的不同會在試樣表面之間的相關扁平面上產生熱流動。試樣的冷熱表面得到了測量。

 8、熱阻系數，它是熱導的倒數。在穩定狀態條件下，在與單元熱流等溫面垂直方向上的斜率。

3：符號的定義

1、λ－熱導，W/m·k

2、T_A－與試樣相關的高溫面的溫度，K

3、T_B－與試樣相關的低溫面的溫度，K

4、T_C－試樣高溫面的溫度，K

5、T_C－試樣低溫面的溫度，K

6、A－試樣面積，m²

7、X－試樣厚度，m

8、Q－熱流速，W(J)/S

9、q－熱流或單位面積上的熱流速，W/ m²

10、α－加速器/傳感線圈的電絕緣溫度系數

11、I－電流，A

12、θ－熱阻，K·m²/W

4：測試方法的概要

  1、試樣被夾在兩金屬塊之間，在一定熱作用下壓縮。到達平衡時，測量溫度。則熱阻便可以     計算出。熱阻和厚度在技術表面熱導時將被用到。

 2、這些測試方法測量了低模量絕緣材料的熱導性能，這些材料在電器設備中提供了導熱性能。

  如果低模量材料鋪層和測試試樣相粘結，且無空氣存在，則這些測試方法對高模量材料也是適用的。

3、對于一些試樣來說，由于太薄而不適用于溫度傳感的溫差電偶，而該測試方法卻很容易得到其熱性能數據。該方法還可以避免由于不同壓力、表面狀況、裝配電器設備的技術等帶來的困難。

4、實際上，該測試方法有以下假設：1、試樣各層相互粘結。2、各層之間沒有有效的抗性。在熱阻－積累厚度平面圖中的斜率是由熱導決定的，并沒有考慮界面熱阻。

 5、 該儀器的主要的特征可參考標準上的測試方法圖，儀器中使用了一個相關的熱量計。可以得到流過試樣的熱流速率。流經試樣的熱流速率是由加熱器的供電系統測量的。各接觸表面處理應在0.4цm之內。這是為了給與試樣相接觸的測量棒提供的平面。

6、加熱單元是由銅或是其他高導性的材料構成的，且包含有套筒或是相似的加圈。它用熱絕緣材料（環氧FR－4）與周圍的保溫加熱器相隔離。絕緣材料為5mm厚度。保溫加熱器不受 壓力，以確保所有的測量能量都傳到高測量棒上。測量棒是由高熱導性材料紫銅構成，并且具有平行的工作表面。

  7、冷卻單元是一個金屬盒，由恒溫池對其冷卻，恒溫池的溫度變化不能超過±0.2K。

   加壓系統是經由一個手柄加壓。

8、如果試樣周圍環境需要絕緣，則應使用纖維毯。

 9、對于熱阻：從測試材料中取出一塊，其面積與（長度和寬度）要和測量塊一樣。根據D374中方法C測量試樣的厚度。

10、對表面熱導：準備足夠的試樣來保證所要求的層數。

 11、試樣條件作用：除非有具體要求，否則試樣測量應在一般被承認的條件下測量。在測試前，用適當的不反應溶劑除去試樣表面的臟物和明顯的間接污染物，為了確保清潔劑的除去，在清洗完后應適當的烘干。

12、試樣放于兩個測量塊之間。

   如果使用熱量計，則將其置于低測量塊與冷卻單元之間。

   在測試過程中保持該壓力。

13、記錄測量塊的溫度和熱量計平衡時的溫度，在沒有使用熱量計時記錄加熱器的電壓和電流。     在到達平衡時相隔15min進行兩次連續操作的溫度記錄。兩次記錄結果的差別應在±0.2K之間。

14、計算試樣平均溫度和熱阻，對單層試樣的熱阻和測試試樣的熱阻進行說明。

15、確定多層材料的熱阻，當層數增加后應當降低熱流以便使多層材料的測試溫度和單層材料溫度的差別在±2K之間。

1. 測試方法的計算

    1、熱阻

   熱流的計算應使用熱流計，計算流過熱流計的熱流公式如下：

    Q=(λ_R*A/d )*(T5-T6)

Q：熱流，W

λ_R:熱量計材料的熱導

A：熱量計的面積m²

T₅-T₆：熱量計兩個熱電偶的溫差

d：熱量計兩溫差電偶的距離

在沒有使用熱量計時，熱流用以下公式計算：

Q=V I

Q：熱流量 W

V：加熱器的電壓

I：加熱器的電流

2、與試樣相接觸的高測量塊的溫度計算公式：

TA=T2-d_B/d_A(T1-T2)

T_A：與試樣相接觸的高測量塊的溫度，K

T₁：高測量塊的較高溫度，K

T₁：高測量塊的較低溫度，K

d_A：高溫傳感器間距，m

d_B：低位傳感器到高測量塊低表面的距離，m

3、與試樣相接觸的低測量塊的溫度計算公式

T_D=T3+d_D/d_C (T3-T4)

T_D：與試樣相接觸的低測量塊的溫度，K

T₃：低位測量塊的高溫,K

T₄：低位測量塊的低溫,K

d_C：溫度傳感器之間的距離，m

d_D：高溫傳感器到低測量塊的高表面之間的距離，m

4、熱阻的計算

   θ=(TA-TD)*A/Q

從單層或是多層試樣的熱阻—各自的試樣厚度的平面圖中得到熱導。在平面圖中X軸表示試樣厚度值，Y軸表示試樣熱阻值。