CN111380904A - 一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，包括固定底板、定位压板、第一温度探针安装孔位、第二隔热材料层、加热组件、冷却组件、温度记录器等，其特征在于：本发明采用加热组件、冷却组件、探针固定装置、固定块、挂载重块、温度探针、温度记录器、电源等组合结构，在所述薄型导散热待检材的一端以正弦波周期性功率加热，另一端进行冷却，在所述温度探针安装孔位采集并记录温度数据，进而计算出薄型导散热待检材的热扩散系数。实现薄型导散热材料的的热扩散系数快速检测，设备装置简单、操作方便快捷、数据精准、方法可靠性强，也可用于非薄型材料，检测成本低廉。克服了现有技术的不足。

Description

一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法
技术领域
本发明涉及热传导技术领域，尤其涉及一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法。
背景技术
现代的电子组件朝向高速、高功率及薄型、微小化的趋势发展，因此电子组件的导散热需求也趋于重要。石墨拥有相当好的热传特性，被广泛应用在这些电子组件的散热途径。作为好的导散热材料，根据研究石墨较佳的厚度在10～15μm，然则这么薄的石墨并无足够的机械性质可单独作为导散热的组件，必须透过一同样导散热良好且有足够机械性质的基材如铜或铝材，然后再将石墨被覆在其上，形成一个导散热组件的材料。
虽然这类导散热材料的制造技术日益进步，但是做出来的质量良莠不齐，但又苦无一项可靠性高的导散热检测的方法来作为薄型甚至是超薄型导散热材的质量检测与管控的方法。
热导率和热扩散系数是两个最经常用于对材料的热性能表示的参数，包括高分子聚合物，这两项在各领域的应用都是很重要的参数，所以取得热导率或热扩散系数的数据，对于材料间的比较能给予设计者更明确的选择依据。尽管涉及静止传热过程的主要参数是导热率k，但它是经由实验评估瞬时热扩散系数的方法和由计算后，间接由方程式取得，由于直接测得热导率需要得知比热容，但是比热容的取得实属不易，加上有时实验热源加热测试样本时，部分的热会经由对流或辐射而流失，所以测量热扩散系数的方法相较于用于导热系数测量的固定方法，反而更为省时和有效。
测量热导率的理论，多牵涉到测量给予一个温度梯度时通过对象的热流量，而Angstrom’s method则是用加热和冷却交替于同一侧，薄型导散热待检材9两端温度会以正弦波形式变化，加热远端温度震荡振幅将比加热近端温度震荡振幅缩小，也因为不需要先行得知薄型导散热待检材9的比热容，相较于其他测量热扩散系数的方式更为方便。
参考中国台湾新型专利第M464647U号与中国发明专利公开号第 CN104155336B号，两篇都是基于Angstrom’s method所设计的热扩散系数检测设备，除了结构复杂外，对薄型材料的检测有一定的限制，因为这些薄型甚至是极薄的材料因为并无支撑性，所以势必在检测薄型材料的热扩散系数时，下方必须有能支撑这些薄型材料的底板，且这些支撑用的底板必须是绝热或导热性差的材料，以避免对薄型材料产生热传导。另外，还必须将薄型导散热待检材9与检测环境进行必要的隔绝，避免热对流对热扩散系数检测的影响。前述这些问题在习知的技术并无考虑周详，如此除了造成习知技术无法测量薄型材料外，也将造成所测得之结果会有所误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，合理有效地解决了现有技术的热扩散系数检测设备昂贵、检测成本高，且对薄型材料的检测有一定的限制，因而无法检测薄型导散热材料的热扩散系数的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，包括固定底板、定位压板、第一温度探针安装孔位、第二温度探针安装孔位、第一隔热材料层、第二隔热材料层、加热组件、冷却组件、薄型导散热待检材、探针固定装置、固定块、挂载重块、温度探针、温度记录器、第一供电电源、第二供电电源，其特征在于：
所述薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法采用以下步骤：
步骤一、设置检测装置：(1)所述固定底板设置在检测装置的最底层，(2)在所述固定底板上平铺设置周边缩进、面积小于所述固定底板的第一隔热材料层，(3)在所述第一隔热材料层上平铺设置与所述第一隔热材料层形状和面积相等的薄型导散热待检材，(4)在所述薄型导散热待检材一端的上板面设置加热组件，所述加热组件与第一供电电源连接，在另一端的上板面设置接触面积相同的冷却组件，所述冷却组件与第二供电电源连接，(5)在所述薄型导散热待检材的剩余空面上全面覆盖设置第二隔热材料层，(6)在所述第二隔热材料层上全面积覆盖设置定位压板，(7)在所述定位压板上靠近所述加热组件的位置设置第一温度探针安装孔位，在靠近所述冷却组件的位置设置第二温度探针安装孔位，所述第一温度探针安装孔位和第二温度探针安装孔位穿透所述定位压板和第二隔热材料层，(8)将所述温度探针安装在探针固定装置上，然后分别设置在所述第一温度探针安装孔位和第二温度探针安装孔位，且将所述温度探针与所述薄型导散热待检材接触，所述温度探针与温度记录器联接；
步骤二、加热和冷却：所述加热组件以正弦波周期性功率加热于所述薄型导散热待检材的一端，所述薄型导散热待检材的另一端以冷却组件对所述薄型导散热待检材进行冷却；
步骤三、测量和记录温度数据：采用所述温度探针检测所述薄型导散热待检材在第一和第二温度探针安装孔位的温度，并采用所述温度记录器读取并记录所述薄型导散热待检材温度值的变化；
步骤四、计算检测结果：对所述温度记录器读取并记录的所述薄型导散热待检材的单位时间内的温度值进行计算，得出检测结果，构成所述一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法。
进一步地，所述固定底板与定位压板为绝热或导热性差的材料，包括但不限于陶瓷或树脂材料。
进一步地，所述隔热材料为多孔性的材料，为发泡高分子材料或气凝胶之一种。
进一步地，所述第一温度探针安装孔位和第二温度探针安装孔位具有固定距离，全部排列在所述加热组件的同一侧，所述孔位间的中心距离包括但不限于1～80mm，所述孔位的数包括但不限于2～10个。
进一步地，所述薄型导散热待检材平铺设置在所述固定底板上方，且待测面朝上，其中所述薄型导散热待检材的形体参数包括但不限于长度10mm～250mm，宽度10mm～50mm，厚度0.01～0.1mm。
进一步地，所述薄型导散热待检材的材质包括但不限于金属、高分子、石墨、纤维材料和被覆的复合材料，热传导方式包括等向性热传导及非等向性热传导材料。
进一步地，所述温度探针连接设有探针固定装置，所述探针固定装置设有固定块和挂载重块，所述固定块使所述温度探针与所述薄型导散热待检材的接触点固定，所述挂载重块使所述温度探针与所述薄型导散热待检材接触时有相同的接触力量，所述挂载重块的重量为5～10g。
本发明的有益技术效果是:
本发明公开了一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，合理有效地解决了现有技术的热扩散系数检测设备昂贵、检测成本高，且对薄型材料的检测有一定的限制，因而无法检测薄型导散热材料的热扩散系数的问题。
本发明采用固定底板、定位压板、温度探针安装孔位、隔热材料层、加热组件、冷却组件、薄型导散热待检材、探针固定装置、固定块、挂载重块、温度探针、温度记录器、电源等组合结构，在所述薄型导散热待检材的一端以正弦波周期性功率加热，另一端进行冷却，在所述温度探针安装孔位采集并记录温度数据，进而计算出薄型导散热待检材的热扩散系数。实现薄型导散热材料的的热扩散系数快速检测，设备装置简单、操作方便快捷、数据精准、方法可靠性强，也可用于非薄型材料，检测成本低廉。克服了现有技术的不足。
附图说明
图1是本发明采用的装置结构示意图。
图2是本发明的探针固定装置结构示意图。
图3是本发明温度探针安装孔位的测温点的结构示意图。
图4是本发明的检测数据曲线图。
图中所示：1-固定底板、2-定位压板、3-第一温度探针安装孔位、4-第二温度探针安装孔位、5-第一隔热材料层、6-第二隔热材料层、7- 加热组件、8-冷却组件、9-薄型导散热待检材、10-探针固定装置、11- 固定块、12-挂载重块、13-温度探针、14-温度记录器、15-第一供电电源、16-第二供电电源。
具体实施方式
通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。
实施方式:
如图1-图4所示的一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，包括固定底板1、定位压板2、第一温度探针安装孔位3、第二温度探针安装孔位4、第一隔热材料层5、第二隔热材料层6、加热组件7、冷却组件8、薄型导散热待检材9、探针固定装置10、固定块11、挂载重块 12、温度探针13、温度记录器14、第一供电电源15、第二供电电源16。
所述薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法采用以下步骤：
步骤一、设置检测装置：设置检测装置：在所述固定底板1设置在检测装置的最底层，再在所述固定底板1上平铺设置周边缩进、面积小于所述固定底板1的第一隔热材料层5，在所述第一隔热材料层5上平铺设置与所述第一隔热材料层5形状和面积相等的薄型导散热待检材9，在所述薄型导散热待检材9一端的上板面设置加热组件7，所述加热组件7 与第一供电电源15连接，在另一端的上板面设置接触面积相同的冷却组件8，所述冷却组件8与第二供电电源16连接，在所述薄型导散热待检材9的剩余空面上全面覆盖设置第二隔热材料层6，在所述第二隔热材料层6上全面积覆盖设置定位压板2，在所述定位压板2上靠近所述加热组件7的位置设置第一温度探针安装孔位3，在靠近所述冷却组件8的位置设置第二温度探针安装孔位4，所述第一温度探针安装孔位3和第二温度探针安装孔位4穿透所述定位压板2和第二隔热材料层6，将所述温度探针13安装在探针固定装置10上，再在所述探针固定装置10上设置固定块11和挂载重块12，然后分别设置在所述第一温度探针安装孔位3和第二温度探针安装孔位4，且将所述温度探针13与所述薄型导散热待检材 9接触，所述温度探针13与温度记录器14联接。
步骤二、加热和冷却：所述第一供电电源15提供固定的电功率输入加热组件7，并控制所述第一供电电源15开启电源与关闭电源的时间，让所述第一供电电源15以正弦波周期性功率输入所述加热组件7对薄型导散热待检材9进行加热。开启与关闭所述第一供电电源15的时间为相同的复数秒数，随时间而变化使之形成一周期波。以一第二供电电源16 提供固定的电功率输入所述冷却组件8，所述冷却组件8对所述薄型导散热待检材9持续进行冷却，直到检测结束。
于定位压板2上靠近所述加热组件7的位置设置为第一温度探针安装孔位3，靠近所述冷却组件8的位置设置为第二温度探针安装孔位4，以温度探针13检测所述薄型导散热待检材9在所述第一温度探针安装孔位3、第二温度探针安装孔位4位置的温度。
步骤三、测量和记录温度数据：检测的过程中，热能将以正弦波形式从所述薄型导散热待检材9的所述第一温度探针安装孔位3位置传导至所述第二温度探针安装孔位4位置，两位置温度会以正弦波形式变化，所述第二温度探针安装孔位4位置温度震荡振幅将比所述第一温度探针安装孔位3位置温度震荡振幅小，并且波形间产生一相位差。先以正弦波周期性功率输入重复复数次以达到温度稳态后(温度正弦波曲线趋近于稳定，各波峰之差距在±1℃以内)。
步骤四、计算检测结果：温度检测基准点取得至少二个温度探针13 的检测数据，藉由所述第一温度探针安装孔位3与第二温度探针安装孔位4之间的间距L、二个检测数据的振幅(M、N)以及二个检测数据(正弦波)之间的时间差Δt，再各别代入Angstrom’sMethod公式计算其热扩散系数后取平均值。
实施例一
以红铜箔作为此实施例的薄型导散热待检材9，进行热扩散系数的检测。首先将厚度25μm的红铜箔裁切成长220mm、宽30mm的薄型导散热待检材9。以电木材质做成固定底板1，接着将气凝胶材料的第一隔热材料层5置于固定底板1上，然后将薄型导散热待检材9置于第一隔热材料层5之上，以一致冷芯片的热面作为加热组件7，置于薄型导散热待检材9的一端之上，再以另一致冷芯片的冷面作为冷却组件8，置于薄型导散热待检材9的另一端之上。薄型导散热待检材9其余部分再以另一气凝胶材料作为第二隔热材料层6覆盖于上方。再以电木制成的定位压板2覆盖于第二隔热材料层6上方。以线径<ψ0.5mm的热电偶作为温度探针13，与电木材料加工而成的探针固定装置10组装，探针固定装置 10安装于定位压板2上之第一温度探针安装孔位3与第二温度探针安装孔位4，并使温度探针13与薄型导散热待检材9接触。薄型导散热待检材9进行热扩散系数检测时，利用一直流电源供应器作为第一供电电源 15对加热组件7以正弦波周期性功率加热于薄型导散热待检材9之一端，薄型导散热待检材9之另一端以另一直流电源供应器作为第二供电电源 16，提供固定之电功率输入冷却组件8，以冷却组件8对薄型导散热待检材9持续进行冷却，直到检测结束。
于定位压板2上距离加热组件7较近的位置设置第一温度探针安装孔位3，及较远位置设置第二温度探针安装孔位4，以温度探针13检测薄型导散热待检材9在第一温度探针安装孔位3与第二温度探针安装孔位4位置的温度，并以温度记录器14读取与记录薄型导散热待检材9温度值的变化。
先以正弦波周期性功率输入重复复数次以达到温度稳态后(温度正弦波曲线趋近于稳定，各波峰之差距在±1℃以内)，本实施例较佳周期为 60秒。温度检测基准点取得至少二个温度探针13的检测数据，藉由第一温度探针安装孔位3与第二温度探针安装孔位4之间的间距L，本实施例的较佳距离L为5cm，本实施例所测得二个检测数据的振幅分别为M值25.3℃、N值1.3℃，以及二个检测数据(正弦波)之间的时间差Δt为5秒，再各别代入Angstrom’s Method公式计算热扩散系数α为0.84cm2/s。
实施例二
在另一实施例中，以厚度20μm的铝箔作为薄型导散热待检材9，依照实施例一之方法进行热扩散系数检测，本实施例所测得二个检测数据的振幅分别为M值33.9℃、N值0.4℃，以及二个检测数据(正弦波)之间的时间差Δt为9秒，再各别代入Angstrom’s Method公式计算热扩散系数α为0.31cm2/s。
实施例三
在又一实施例中，以厚度130μm的天然石墨片作为薄型导散热待检材9，依照实施例一之方法进行热扩散系数检测，本实施例所测得二个检测数据的振幅分别为M值44.5℃、N值5.2℃，以及二个检测数据(正弦波)之间的时间差Δt为3秒，再各别代入Angstrom’sMethod公式计算热扩散系数α为1.94cm2/s。
完成一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法的实施。
当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，包括固定底板、定位压板、第一温度探针安装孔位、第二温度探针安装孔位、第一隔热材料层、第二隔热材料层、加热组件、冷却组件、薄型导散热待检材、探针固定装置、固定块、挂载重块、温度探针、温度记录器、第一供电电源、第二供电电源，其特征在于：
所述薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法采用以下步骤：
步骤一、设置检测装置：(1)所述固定底板设置在检测装置的最底层，(2)在所述固定底板上平铺设置周边缩进、面积小于所述固定底板的第一隔热材料层，(3)在所述第一隔热材料层上平铺设置与所述第一隔热材料层形状和面积相等的薄型导散热待检材，(4)在所述薄型导散热待检材一端的上板面设置加热组件，所述加热组件与第一供电电源连接，在另一端的上板面设置接触面积相同的冷却组件，所述冷却组件与第二供电电源连接，(5)在所述薄型导散热待检材的剩余空面上全面覆盖设置第二隔热材料层，(6)在所述第二隔热材料层上全面积覆盖设置定位压板，(7)在所述定位压板上靠近所述加热组件的位置设置第一温度探针安装孔位，在靠近所述冷却组件的位置设置第二温度探针安装孔位，所述第一温度探针安装孔位和第二温度探针安装孔位穿透所述定位压板和第二隔热材料层，(8)将所述温度探针安装在探针固定装置上，然后分别设置在所述第一温度探针安装孔位和第二温度探针安装孔位，且将所述温度探针与所述薄型导散热待检材接触，所述温度探针与温度记录器联接；
步骤二、加热和冷却：所述加热组件以正弦波周期性功率加热于所述薄型导散热待检材的一端，所述薄型导散热待检材的另一端以冷却组件对所述薄型导散热待检材进行冷却；
步骤三、测量和记录温度数据：采用所述温度探针检测所述薄型导散热待检材在第一和第二温度探针安装孔位的温度，并采用所述温度记录器读取并记录所述薄型导散热待检材温度值的变化；
步骤四、计算检测结果：对所述温度记录器读取并记录的所述薄型导散热待检材的单位时间内的温度值进行计算，得出检测结果，构成所述一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法。
2.根据权利要求1所述一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，其特征在于，所述固定底板与定位压板为绝热或导热性差的材料，包括但不限于陶瓷或树脂材料。
3.根据权利要求1所述一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，其特征在于，所述隔热材料为多孔性的材料，为发泡高分子材料或气凝胶之一种。
4.根据权利要求1所述一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，其特征在于，所述第一温度探针安装孔位和第二温度探针安装孔位具有固定距离，全部排列在所述加热组件的同一侧，所述孔位间的中心距离包括但不限于1～80mm，所述孔位的数包括但不限于2～10个。
5.根据权利要求1所述一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，其特征在于，所述薄型导散热待检材平铺设置在所述固定底板上方，且待测面朝上，其中所述薄型导散热待检材的形体参数包括但不限于长度10mm～250mm，宽度10mm～50mm，厚度0.01～0.1mm。
6.根据权利要求1所述一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，其特征在于，所述薄型导散热待检材的材质包括但不限于金属、高分子、石墨、纤维材料和被覆的复合材料，热传导方式包括等向性热传导及非等向性热传导材料。
7.根据权利要求1所述一种薄型导散热材料的热扩散系数快速检测方法，其特征在于，所述温度探针连接设有探针固定装置，所述探针固定装置设有固定块和挂载重块，所述固定块使所述温度探针与所述薄型导散热待检材的接触点固定，所述挂载重块使所述温度探针与所述薄型导散热待检材接触时有相同的接触力量，所述挂载重块的重量为5～10g。
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