CN110044955A - 用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架及测量方法，该样品支架包含：上金属片、下金属片、金属丝以及绝热环；该绝热环具有中心孔，该中心孔的孔径与上金属片、下金属片的直径一致，待测膏状材料分别涂覆在上金属片、下金属片上形成待测膏状材料涂层，金属丝位于下金属片上的待测膏状材料涂层中。本发明的样品支架结构简便，通过该样品支架制备的试样用于稳态法测量装置以测量膏状材料的导热系数，在施加压力的情况下，可以保证膏状材料具有足够的厚度，从而减少了测量误差。本发明提供的测量方法，在计算过程中消除了传统测量方法中测量臂与膏状材料之间接触热阻对测量结果的影响，实现了膏状材料导热系数的准确测量。

Description

用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架及测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架及测量方 法。

背景技术

由于实际工程表面不是绝对光滑，两个名义上互相接触的固体表面，实 际上接触仅仅发生在一些离散的面积元上，真实接触面积通常只占名义接触 面积的1％。在未接触界面之间的间隙常常充满了空气，当热量以导热的方 式穿过气隙层时，与固体表面完全接触相比，增加了附加的传递阻力，称为 接触热阻。接触热阻的存在会对工程系统的有效热管理产生不利影响，为了 减少接触热阻通常将膏状导热材料涂抹在两固体表面之间充当热界面材料。 热界面材料的导热系数是其重要性能参数，该数值的准确测量对热界面材料的研发及实际工程应用具有重要意义。

目前导热系数的测量方法分为稳态测量法和瞬态测量法。稳态测量法是 将被测材料放置在两冷、热测量臂之间，经过足够上时间后形成稳定热场。 然后测量通过被测材料的热流和温差，进而推算被测材料的导热系数。稳态 法可以用来测量固体和膏状材料的导热性能。瞬态测量法是通过测量材料内 部温度场在瞬间加热后随时间发生变化的规律，进而推算材料的导热系数。 常用的瞬态测量法包括热线法、激光闪射法等。目前膏状材料导热系数的测 量主要采用稳态测量法。

稳态法测量膏状材料导热性能的测量原理如图1所示，稳态法测量装置 由热源10、冷源20、热端测量臂11、冷端测量臂21及热电偶(T1～T6)等 部件组成。在测量过程中，膏状试样1被涂抹在冷、热端测量臂之间，在热 源和冷源的作用下，经过足够长时间后会在冷、热测量臂和膏状试样中形成 稳定热场。根据冷、热测量臂中热电偶的位置和所测得的温度值可以计算出 在稳态下通过膏状试样的热流及冷、热测量臂与试样接触处的温度。根据傅 里叶定理，膏状材料产生的热阻可由公式(1)计算得到。

式中t₁、t₂为冷、热测量臂与试样接触处的温度；q"为在稳态下通过膏状试 样的热流。

通过测量膏状材料在两测量臂之间的厚度，结合公式(1)计算得到的热 阻值，可由公式(2)计算得到膏状材料的导热系数。

式中l为膏状材料在两测量臂之间的厚度；R为膏状材料产生的热阻。

上述测量方法有以下两个缺陷，会导致测量结果不准确。首先，公式(1) 计算得到的热阻值比膏状材料实际产生的热阻值偏大，因为其包含了试样与 两测量臂之间的接触热阻。热阻网络分析如图2所示，所测得热阻R由三部 分组成，分别为膏状试样与冷、热测量臂之间的接触热阻R_c,1、R_c,2以及膏状 试样自身热阻R_TIM。其次，由于膏状材料自身具有一定流动性，将其直接涂 抹在两测量臂之间并施加一定测量压力时，试样会大量溢出，导致所形成的 试样层厚度很小，在测量工具精度恒定时会大大增加测量误差。

发明内容

鉴于上述稳态法测量装置在测量膏状材料导热系数时的不足，本发明设 计了一种样品支架。通过使用该样品支架可以有效解决上述两问题，从而实 现膏状材料导热系数的准确测量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于稳态法测量膏状材料导热性 能的样品支架，该样品支架包含：上金属片、下金属片、金属丝以及绝热环； 所述的绝热环具有中心孔，该中心孔的孔径与上金属片、下金属片的直径一 致，待测膏状材料分别涂覆在上金属片、下金属片上形成待测膏状材料涂层， 金属丝位于下金属片上的待测膏状材料涂层中。

较佳地，所述的上金属片与下金属片的形状、大小完全一致。

较佳地，上金属片与下金属片涂覆待测膏状材料的一面相向设置，位于 绝热环的中心孔中。

较佳地，所述的上金属片、下金属片均为紫铜片。

较佳地，所述的金属丝为细钢丝。

较佳地，所述的金属丝的直径为0.3mm-0.8mm。

较佳地，所述的样品支架包含3段直径相同的金属丝，该3段金属丝沿 下金属片周向均匀分布(间隔120°)。

较佳地，所述的金属丝完全浸没于下金属片的待测膏状材料涂层中。

本发明还提供了一种膏状材料导热性能的测量方法，该方法采用上述的 用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架制备具有不同厚度待测膏状材 料涂层的两个试样，然后分别通过稳态法测量热阻，再根据以下公式(5)计 算待测膏状材料的导热系数：

其中，k_TIM代表待测膏状材料的导热系数，Δd代表两个试样的厚度之差， ΔR代表两个试样的热阻之差。

较佳地，试样的制备方法包含：

步骤1，将待测膏状材料分别均匀涂覆在上金属片、下金属片上；涂抹 在上金属片上可以保证待测膏状材料与上金属片之间的充分接触，否则可能 导致待测膏状材料与上金属片接触不良，产生较大接触热阻，影响测量误差。

步骤2，将3段金属丝间隔120°放置于下金属片的待测膏状材料涂层中， 使得金属丝完全淹没在待测膏状材料涂层中；金属丝的作用主要是调整上、 下金属片之间待测膏状材料厚度。如果金属丝没有完全浸没，在外界压力作 用下，金属丝会与上金属片之间接触，产生接触热阻，影响测量结果准确性。

步骤3，将上金属片覆盖在下金属片之上，并整体放置于绝热环的中心 孔中，完成试样的制备。

较佳地，步骤1中，下金属片的待测膏状材料涂层的厚度大于所选用金 属丝直径。

本发明提供的样品支架结构简便，通过该样品支架制备的试样用于稳态 法测量装置以测量膏状材料的导热系数，在施加压力的情况下也可以保证膏 状材料具有足够的厚度，在一定程度上减少了测量误差。本发明提供的测量 方法，在计算过程中消除了传统测量方法中测量臂与膏状材料之间接触热阻 对测量结果的影响，实现了膏状材料导热系数的准确测量。

附图说明

图1为现有技术中稳态法测量装置的工作原理图。

图2为现有技术的稳态法测量装置的热阻网络分析图，其中R_c,1和R_c,2分别为膏状材料与两测量臂之间的接触热阻，R_TIM为试样产生的热阻。

图3为本发明的样品支架分解的各部分结构示意图。

图4为本发明所制备试样的爆炸视图。

图5为本发明的实施例制备的1号试样整体热阻网络分析图。

图6为本发明的实施例制备的2号试样整体热阻网络分析图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

样品支架主要包括四部分，分别为上金属片31、下金属片32、不同直径 的金属丝321(分别命名为1号和2号金属丝)以及绝热环33，结构分别如 图3所示。

上金属片31上下表面光滑，其外形尺寸与测量臂尺寸一致。下金属片 32外形尺寸与上金属片31一致，但是在其上表面边缘周向间隔120°布置有 直径相同的金属丝321。绝热环33的中心孔331尺寸与上、下金属片尺寸一 致。

在制样过程中将膏状材料40涂抹在上、下金属片之间，同时在下金属片 上布置1号金属丝，然后整体置于绝热环中心孔331之中，制备1号试样， 如图4所示。将1号试样置于两测量臂之间测量整体热阻。

重复上述制样及测量过程，使用2号金属丝制备2号试样并测量其整体 热阻。

计算过程和计算方法

根据上述制样和测量过程，可以得到1号和2号试样的整体热阻R_tot,1和 R_tot,2以及试样整体厚度l₁和l₂。对1号和2号试样整体热阻进行热阻网络分 析，结果如图5所示和图6所示。

由图5可知，1号试样的整体热阻R_tot,1由7部分组成，其中R_c1为上金 属片与热端测量臂之间的接触热阻，R_M,1为上金属片自身热阻，R_c2为上金属 片与膏状材料之间的接触热阻，为厚度d₁膏状材料自身热阻，R_c3为膏 状材料与下金属片之间的接触热阻，R_M,2为下金属片自身热阻，R_c4为冷端测 量臂与下金属片之间的接触热阻。

由图6可知，2号试样的整体热阻R_tot,2同样由7部分组成，其中R_c1、 R_M,1、R_c2、R_c3、R_M,2、R_c4均与上述1号试样相同，为厚度d₂膏状材料 自身热阻，这是与1号试样的唯一不同之处。因此，两试样膏状材料厚度差 值Δd可以通过公式(3)计算得到。

Δd＝d₂-d₁＝l₂-l₁ (3)

两试样整体热阻差值可通过公式(4)计算得到。由于两试样只有膏状材 料厚度不同，由公式(4)计算得到的热阻差值可以认为是厚度为Δd膏状材 料的自身热阻。

ΔR＝R_tot,2-R_tot,1 (4)

此时，膏状材料的导热系数可以通过公式(5)计算得到。

利用上述样品支架30通过调整金属丝直径可以有效控制上、下金属片之 间膏状材料的厚度。因为膏状材料具有流动性，在外界压力作用下会溢出， 添加金属丝可以承受外界压力，使膏状材料保留在上、下金属片之间。因此 金属丝的直径决定过了上、下金属片间膏状材料的厚度。

在得到两组或以上试样所产生总热阻后，利用公式(3)-(5)可以计算 出膏状材料的导热系数。

通过上述分析可以发现，在计算过程中消除了传统测量方法中测量臂与 膏状材料之间接触热阻对测量结果的影响，同时在施加压力的情况下可以减 少膏状试样溢出，从而保证膏状材料具有足够的厚度，在一定程度上减少了 测量误差。

以导热硅脂的导热系数测量过程为例进行说明。

实施例

选用DRL-Ⅲ导热系数测试仪(湘潭市仪器仪表有限公司生产制造)作 为稳态法导热系数测量仪，该装置具有自动加压、自动测量样品厚度等功能， 其冷、热测量臂均为直径30mm的圆柱。样品支架的上、下金属片由紫铜加 工，直径为30mm，厚度约为4.8mm。所选用的金属丝为细钢丝，直径分别 为0.3mm和0.8mm。绝热环的外径为50mm，内径为30mm，厚度约为8mm。

具体实施步骤如下：

(1)将导热硅脂均匀涂抹在上、下金属片上，其中下金属片的涂抹厚度 要大于所选用金属丝直径；

(2)将3段长度约为1mm、直径为0.3mm的金属丝间隔120°放置于下 金属片所涂抹的导热硅脂中，注意金属丝应完全淹没在导热硅脂中，以保证 金属丝在外界压力作用下可以稳定支撑上金属片；

(3)将上金属片覆盖在下金属片之上，并整体放置于绝热环内，完成1 号试样制备；

(4)将1号试样放置于两测量臂之间进行热阻测量。

(5)重复上述制样过程，选用直径为0.8mm的金属丝制备2号试样， 并进行热阻测量。

实验测量数据如表1所示。

表1：实验测量数据

根据表1中的测量数据，利用公式(3)-(5)可知，该导热硅脂导热系 数：

综上所述，本发明提供的测量方法，在计算过程中消除了传统测量方法 中测量臂与膏状材料之间接触热阻对测量结果的影响，实现了膏状材料导热 系数的准确测量。而且，通过本发明的样品支架制备的试样用于稳态法测量 装置以测量膏状材料的导热系数，在施加压力的情况下也可以保证膏状材料 具有足够的厚度，从而进一步减少了测量误差。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述 内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架，其特征在于，该样品支架包含：上金属片、下金属片、金属丝以及绝热环；所述的绝热环具有中心孔，该中心孔的孔径与上金属片、下金属片的直径一致，待测膏状材料分别涂覆在上金属片、下金属片上形成待测膏状材料涂层，所述金属丝位于下金属片上的待测膏状材料涂层中。

2.如权利要求1所述的用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架，其特征在于，所述的上金属片与下金属片的形状、大小完全一致。

3.如权利要求1所述的用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架，其特征在于，上金属片与下金属片涂覆待测膏状材料的一面相向设置，位于绝热环的中心孔中。

4.如权利要求1所述的用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架，其特征在于，所述的样品支架包含3段直径相同的金属丝，该3段金属丝沿下金属片周向均匀分布。

5.如权利要求4所述的用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架，其特征在于，所述的金属丝完全浸没于下金属片的待测膏状材料涂层中。

6.一种膏状材料导热性能的测量方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-5中任意一项所述的用于稳态法测量膏状材料导热性能的样品支架制备具有不同厚度待测膏状材料涂层的两个试样，然后分别通过稳态法测量热阻，再根据以下公式(5)计算待测膏状材料的导热系数：

其中，k_TIM代表待测膏状材料的导热系数，Δd代表两个试样的厚度之差，ΔR代表两个试样的热阻之差。

7.如权利要求6所述的膏状材料导热性能的测量方法，其特征在于，试样的制备方法包含：

步骤1，将待测膏状材料分别均匀涂覆在上金属片、下金属片上；

步骤2，将3段金属丝间隔120°放置于下金属片的待测膏状材料涂层中，使得金属丝完全淹没在待测膏状材料涂层中；

步骤3，将上金属片覆盖在下金属片之上，并整体放置于绝热环的中心孔中，完成试样的制备。

8.如权利要求7所述的膏状材料导热性能的测量方法，其特征在于，步骤1中，下金属片的待测膏状材料涂层的厚度大于所选用金属丝直径。