CN102980910B - 导热材料性能测试设备 - Google Patents
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Abstract
一种导热材料性能测试设备，包括热阻测试装置，其特征在于，该装置还包括向热阻测试装置施加压力的压力施加装置，用于检测施加压力值的压力测量装置及用于测量导热材料变形后的实际厚度值的厚度测量装置，所述压力施加装置设于热阻测试装置上部，压力测量装置设于热阻测试装置内，厚度测量装置设于热阻测试装置外侧，通过压力施加装置施加向下的压力，使导热材料被压缩并变形而模拟实际使用状态，并由压力测量装置和厚度测量装置分别测量出所施加的压力值和导热材料变形后的实际厚度，同时由热阻测试装置测得导热材料的上下表面的温差，从而计算得出该导热材料在压缩变形时的导热系数和热阻值，具有实际使用意义。
Description
【技术领域】
本发明涉及导热材料，特别是涉及一种可测量导热材料在压缩变形后的性能的导热材料性能测试设备。
【背景技术】
随着电子产品集成度的提高，产品的发热量也越来越大，对导热材料的需求也日益增加。导热材料种类众多，按形态区分主要分为片状、膏状和流体状导热材料。其中，片状导热材料因方便加工和使用而在实际中被广泛应用。尤其是柔性片状导热材料，因具有良好的界面亲和性和可压缩性，而在电源、伺服电机、变压器等产品领域中应用广泛。目前，对于片状、膏状导热材料的性能测试，最通用的方法是稳态热流法，该方法是通过测量导热材料上下表面的温差，然后根据傅里叶方程计算出导热材料的热阻和导热系数。如图1所示，在一定的压力下，使发热元件1及散热元件2与待测导热材料3接触，发热元件1与电源连接，接通电源后发热元件1发热，其产生的热量通过待测导热材料3到达散热元件2，通过测量待测导热材料3的上表面温度及下表面温度，从而根据以下公式计算得出该导热材料3的热阻值和导热系数：
热阻值R=(Th-Tc)A/Q
导热系数K=D/R
其中，Th为待测导热材料3的热端温度，Tc为待测导热材料3的冷端温度，A为待测导热材料3的面积（实验前可测试出导热材料3的面积），Q为发热元件1的发热功率，D为待测导热材料3的厚度（实验前可测试出导热材料3的原始厚度）。基于该方法测试导热材料导热性能的设备比较常见，一般情况下，其能满足大部分导热材料的性能模拟测试，但是现有的这种设备仍存在一定的局限性：导热材料在实际使用过程中会受压力作用而产生一定的压缩变形量（压缩变形量用压缩率来表征，压缩率的计算公式为：P=（D0-D1）/D0*100%，其中，P为导热材料的压缩率，D0为导热材料的初始厚度，D1为导热材料压缩后的厚度），而现有的设备无法模拟待测导热材料在压缩变形后的实际导热性能。因此，在不考虑产品厚度变化的情况下，现有的设备模拟测试而计算出的导热系数和热阻值与实际值存在一定的偏差，缺乏实际应用意义。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种可对片状或膏状的待测导热材料施加压力，从而可测量待测导热材料在压力作用下发生压缩变形后的导热性能，并可以此得出该导热材料的压缩率与压力之间关系的导热材料性能测试设备。
为解决上述问题，本发明提供了一种导热材料性能测试设备，包括热阻测试装置，其特征在于，该装置还包括向热阻测试装置施加压力的压力施加装置，用于检测施加压力值的压力测量装置及用于测量导热材料变形后的实际厚度值的厚度测量装置，所述压力施加装置设于热阻测试装置上部，压力测量装置设于热阻测试装置内，厚度测量装置设于热阻测试装置外侧，且通过压力施加装置施加向下的压力，使导热材料被压缩并变形而模拟实际使用状态，并由压力测量装置和厚度测量装置分别测量出所施加的压力值和导热材料变形后的实际厚度，同时由热阻测试装置测得导热材料的上下表面的温差。
所述压力施加装置包括活动板、固定横梁、丝杆、导柱、支撑架、弹簧及底座，所述导柱固定于底座上，弹簧分别套设于导柱外，并与活动板连接，活动板活动套接于导柱上，并可沿导柱上下移动，所述支撑架固定于底座上，所述固定横梁固定于支撑架的顶端并位于活动板的上方，所述丝杆螺纹连接于固定横梁中部，并顶着活动板。
所述热阻测试装置固定于底座上，其包括发热体、上传热块、上绝热体、下传热块、下绝热体、散热片及用于测量导热材料的上下表面温差的温差测量器，所述发热体与外部电源连接，并与上传热块接触，所述发热体与上传热块置于上绝热体内，所述下传热块置于上传热块与散热片之间，所述下传热块置于下绝热体内，所述温差测量器设于上传热块与下传热块之间。
所述上绝热体与活动板固接，所述散热片固定于底座上。
所述上传热块底面与上绝热体底面平齐，所述下绝热体的上表面与下传热体的上表面平齐。
所述压力测量装置由压力传感器和显示单元连接而成，所述压力传感器设于下传热块和散热片之间，所述显示单元设于下绝热体外部。
所述厚度测量装置包括测厚计、支撑板及测试板，所述测厚计垂直固定于支撑板上，所述支撑板垂直固定于上绝热体的外侧壁上，所述测试板的上下位置与支撑板相对应，其垂直固定于下绝热体的外侧壁上。
所述支撑板的底面与上绝热体的底面相平齐，所述测试板的上表面与下绝热体的上表面平齐。
所述测厚计为千分尺、游标卡尺、电子尺中的一种。
所述压力施加装置的施加压力范围为0～250Psi，所述厚度测量装置的导热材料测量厚度范围为0.05～30mm。
本发明的有益贡献在于，其解决了现有测试设备无法模拟测量导热材料在压力作用下发生压缩变形后的实际导热性能的问题。本发明的导热材料性能测试设备通过设置压力施加装置对待测导热材料施加压力以模拟导热材料在实际使用时的状态，并设置压力测量装置以记录施加的压力值，从而计算得出该导热材料在压缩变形时的导热系数和热阻值。此外，本发明的导热材料性能测试设备测量出的多组压力值和厚度值可用于得出该导热材料的热阻值、压力、压缩率三者之间关系。
【附图说明】
图1是现有设备测试原理图。
图2是本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
本发明的导热材料性能测试设备适用于各种片状或膏状导热材料的性能测试。
如图2所示，本发明的导热材料性能测试设备包括热阻测试装置10、压力施加装置20、压力测量装置30及厚度测量装置40，其中，所述热阻测试装置10是基于稳态热流法的原理用来检测待测导热材料50上下表面的温度差，所述压力施加装置20用于给热阻测试装置10施加压力以使待测导热材料50压缩变形，所述压力测量装置30用于检测压力施加装置20施加于待测导热材料50上的压力，所述厚度测量装置40用于检测待测导热材料50在压力作用下发生压缩变形后的厚度。
具体地说，如图2所示，所述压力施加装置20由活动板21、固定横梁22、丝杆23、导柱24、支撑架25、弹簧26及底座27固定连接而成。所述底座27为矩形板状体，用于承载热阻测试装置10及固定导柱24和支撑架25。本实施例中，所述导柱24设有4根，其分别垂直固定于底座27的4个转角处边缘，每根导柱24外分别套设有1个弹簧26。所述活动板21为矩形板状体，其四个转角处分别设有1个通孔，用于插入所述导柱24。所述活动板21的的底部分别与所述4个弹簧26固接，使得活动板21可沿导柱24上下移动。所述支撑架25垂直固定于底座27上，用于支撑固定横梁22。所述固定横梁22固定于支撑架25的顶部，并位于活动板21的正上方。所述丝杆23固定于固定横梁22的中央，其移动方向与活动板21的移动方向一致，其底部抵压在活动板21的上表面，当旋转丝杆23使丝杆23向下移动时，可带动活动板21向下移动从而给热阻测试装置10施加压力。
如图2所示，所述热阻测试装置10包括发热体11、上传热块12、上绝热体13、下传热块14、下绝热体15、散热片16及温差测量器。所述发热体11与外部电源连接，通电时可发热用于模拟热源。所述发热体11的下表面与上传热块12的上表面接触，用于传递热量。本实施例中，为进一步加块热传递并减少发热体11与上传热块12之间的热量损耗，在发热体11与上传热块12之间的接触面上涂覆有导热硅脂。所述发热体11与上传热块12设于上绝热体13内，通过上绝热体13来防止热量损失。所述上传热块12的下表面与上绝热体13的下表面平齐。所述下传热块14设于下绝热体15内，用于防止热量损失。所示下传热块14与上传热块12的上下位置相对，且该下传热块14的上表面与下绝热体15的上表面平齐，下传热块14的下表面与散热片16接触。所述散热片16为翅片式散热片，其固定于压力施加装置20的底座27上。所述温差测量器用于测量待测导热材料50上下表面的温度差值，其探测点分别位于待测导热材料50的上下表面。本实施例中，所述上绝热体13及下绝热体15由高分子聚合物材料，例如环氧树脂、聚四氟乙烯、聚氨酯泡棉等材料制作而成。所述上绝热体13的顶部与活动板21固定连接，当活动板21向下移动时，带动上绝热体13向下移动，从而给放置在下传热块14上的待测导热材料50施加一定的压力。当发热体11接通电源时，发热体11散发的热量依次通过上传热块12、待测导热材料50、下传热块14而传递至散热片16。
如图2所示，所述压力测量装置30由压力传感器和显示单元连接而成，所述压力传感器设于下传热块14和散热片16之间，用于感应压力施加装置20施加于待测导热材料50上的压力，所述压力传感器与显示单元连接，通过显示单元实时显示压力值。所述显示单元可为公知的数显表或其他任何可显示压力传感器压力值的数显装置，其可设置于下绝热体15外部或其它方便观察的位置。
如图2所示，所述测厚装置包括测厚计41、支撑板42及测试板43，所述测厚计41可以是公知的自动或手动测距工具，例如千分尺、游标卡尺、电子尺等。该测厚计41垂直固定于支撑板42上，所述支撑板42垂直固定于上绝热体13的外侧壁上，且该支撑板42的下表面与上绝热体13的下表面平齐。所述测试板43的上下位置与支撑板42的相对，其垂直固定于下绝热体15的外侧壁上，且该测试板43的上表面与下绝热体15的上表面平齐。
本发明的导热材料性能测试设备在测试导热材料50在固定压力下的导热性能时，将待测导热材料50平置于下传热块14上，然后向下旋动丝杆23，带动活动板21沿着导柱24向下移动，从而使上传热块12与导热材料50接触，当压力测量装置30的显示单元显示压力值达到目标值时，通过测厚装置记录下此时导热材料50的厚度值，然后接通发热体11的电源，观察温差测量器的温差值，待稳定后记录下数值，最后根据公式R=(Th-Tc)A/Q、K=D/R、）及公式P=（D0-D1）/D0*100%即可推算该待测导热材料50在该压力作用下压缩变形时的实际热阻值与导热系数，即导热材料50在不同压力或压缩率下的实际热阻值与导热系数。
此外，还可以通过同样的方法利用本发明的导热材料性能测试设备多次测量记录下不同压力时导热材料50的厚度值，并计算出其相应状态下的热阻值和导热系数，然后利用曲线拟合方法（一种公知的数据处理方法）进行计算，即可得出导热材料50的热阻值、压缩率、压力这三者之间的关系。
本发明的导热材料性能测试设备可对待测导热材料施加的压力为0～250Psi，可测量的厚度为0.05～30mm，该测试设备可用于测试各种片状或膏状的导热材料，例如导热垫片，导热相变膜，导热胶，导热硅脂。本实施例中，以厚度为3mm的低硬度导热垫片进行了试验，分别测试了该低硬度导热垫片在10PSi、20PSi、30PSi…100PSi压力下的热阻和导热系数，其数据如表1所示。同时，还分别测试了该低硬度导热垫片在10%、20%、30%…80%压缩率下的热阻和导热系数，其数据如表2所示。作为对比例，利用现有测试设备测量该低硬度导热垫片得出的热阻值为0.87℃·in2/W，导热系数为5.13W/m·K，且测试设备所用发热体的功率一致。
表1
表2
综上所述，本发明所述的导热性能测测试设备可以测试导热材料在特定压力或压缩率条件下的实际热阻性能，并得到比较准确的导热系数参数。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上所述所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。
Claims (8)
1.一种导热材料性能测试设备，包括热阻测试装置(10)，其特征在于，该装置还包括向热阻测试装置(10)施加压力的压力施加装置(20)，用于检测施加压力值的压力测量装置(30)及用于测量导热材料(50)变形后的实际厚度值的厚度测量装置(40)，所述压力施加装置(20)包括活动板(21)、固定横梁(22)、丝杆(23)、导柱(24)、支撑架(25)、弹簧(26)及底座(27)，所述导柱(24)固定于底座(27)上，弹簧(26)分别套设于导柱(24)外，并与活动板(21)连接，活动板(21)活动套接于导柱(24)上，并可沿导柱(24)上下移动，所述支撑架(25)固定于底座(27)上，所述固定横梁(22)固定于支撑架(25)的顶端并位于活动板(21)的上方，所述丝杆(23)螺纹连接于固定横梁(22)中部，并顶着活动板(21)，所述热阻测试装置(10)固定于底座(27)上，其包括发热体(11)、上传热块(12)、上绝热体(13)、下传热块(14)、下绝热体(15)、散热片(16)及用于测量导热材料(50)的上下表面温差的温差测量器，所述发热体(11)与外部电源连接，并与上传热块(12)接触，所述发热体(11)与上传热块(12)置于上绝热体(13)内，所述下传热块(14)置于上传热块(12)与散热片(16)之间，所述下传热块(14)置于下绝热体(15)内，所述温差测量器设于上传热块(12)与下传热块(14)之间，所述压力施加装置(20)设于热阻测试装置(10)上部，压力测量装置(30)设于热阻测试装置(10)内，厚度测量装置(40)设于热阻测试装置(10)外侧，且
通过压力施加装置(20)施加向下的压力，使导热材料(50)被压缩并变形而模拟实际使用状态，并由压力测量装置(30)和厚度测量装置(40)分别测量出所施加的压力值和导热材料(50)变形后的实际厚度，同时由热阻测试装置(10)测得导热材料(50)的上下表面的温差。
2.如权利要求1所述的导热材料性能测试设备，其特征在于，所述上绝热体(13)与活动板(21)固接，所述散热片(16)固定于底座(27)上。
3.如权利要求1所述的导热材料性能测试设备，其特征在于，所述上传热块(12)底面与上绝热体(13)底面平齐，所述下绝热体(15)的上表面与下传热体的上表面平齐。
4.如权利要求1所述的导热材料性能测试设备，其特征在于，所述压力测量装置(30)由压力传感器和显示单元连接而成，所述压力传感器设于下传热块(14)和散热片(16)之间，所述显示单元设于下绝热体(15)外部。
5.如权利要求1所述的导热材料性能测试设备，其特征在于，所述厚度测量装置(40)包括测厚计(41)、支撑板(42)及测试板(43)，所述测厚计(41)垂直固定于支撑板(42)上，所述支撑板(42)垂直固定于上绝热体(13)的外侧壁上，所述测试板(43)的上下位置与支撑板(42)相对应，其垂直固定于下绝热体(15)的外侧壁上。
6.如权利要求5所述的导热材料性能测试设备，其特征在于，所述支撑板(42)的底面与上绝热体(13)的底面相平齐，所述测试板(43)的上表面与下绝热体(15)的上表面平齐。
7.如权利要求5所述的导热材料性能测试设备，其特征在于，所述测厚计(41)为千分尺、游标卡尺、电子尺中的一种。
8.如权利要求1所述的导热材料性能测试设备，其特征在于，所述压力施加装置(20)的施加压力范围为0～250Psi，所述厚度测量装置(40)的导热材料(50)测量厚度范围为0.05～30mm。
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