CN112179943B - 用于测量导热系数的探头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量导热系数的探头及其制备方法，探头包括：探头主体、电缆、绝缘胶层和插头，探头主体由金属层和2片绝缘层组成，2片绝缘层之间夹有金属层，金属层的头部为一平面双螺旋结构，一金属镍细带从内向外围成平面双螺旋结构，金属镍细带的两端从平面双螺旋结构的尾部朝向金属层的尾部延伸且该金属镍细带的每端各形成2条镍带，每条镍带上连接一引线，电缆的一端与4根引线电连接，另一端连接插头，电缆包含4根连接线，每一根连接线与一根引线连接。插头可直接与导热系数测试仪的机箱上的插座连接，电缆与探头主体之间无需连接件，避免了探头线序出错，使用方便，测量结果准确、重复性好。

Description

用于测量导热系数的探头及其制备方法

技术领域

本发明属于导热系数测试探头技术领域，具体来说涉及一种用于测量导热系数的探头及其制备方法。

背景技术

导热系数作为反映材料导热和绝热能力的热物性常数，在工业生产制造、建筑环保节能、航空航天研究等诸多领域都有着广泛的应用与研究价值，因此导热系数的准确测量十分重要。在众多的测量方法中，瞬态平面热源(Transient Plane Source，TPS)法因为测量的效率高、测量准确性好而受到广泛关注并得到广泛应用。瞬态平面热源法又称为HotDisk法，该方法对样品的形态没有特殊的要求，可以测量固体、液体、粉末和气体的导热系数。该方法现已成为国际标准(ISO/FDIS 22007-2)和国家标准(GB/T

32064-2015)。TPS法的核心是一个双螺旋形结构的金属丝加热源，即Hot Disk探头。在测试过程中探头作为温度敏感元件测量样品的温度变化。探头的主体是一个三明治型结构，包括中间的金属层和两侧的绝缘薄膜，绝缘薄膜与金属层之间涂覆有胶，金属层包括双螺旋结构，金属层通过金属丝与导热系数测试仪连接，该绝缘薄膜除了起到绝缘作用，还起到固定金属丝的形状，增加金属丝的机械强度和提高使用寿命的作用。测量时，将两块被测样品夹在探头两侧，对探头施加恒定功率，测量加热过程中探头两端的电压变化，进而得到样品温度随时间的变化，再由相应的数学模型计算出其导热系数。

目前使用的探头主要是通过连接件将探头尾端的四个引线与一根电缆的四个接头连接，每次使用前需要将探头的每根引线与电缆的一个接头进行连接，由于测量不同样品时需要用到不同规格的探头，每更换一次探头就需要进行一次接线操作，这一过程较为繁琐，并且可能有短接或者错接的情况，影响实验进展甚至会损坏探头，并且频繁更换探头也会缩短其使用寿命。另外，通过连接件连接探头与电缆时，探头电阻会受到连接件的影响，由于每次连接与前一次有所差异，造成了测量结果的重复性较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于测量导热系数的探头，该探头是由探头主体连接电缆并进行封装得到的。

本发明的另一目的是上述探头的制备方法。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种用于测量导热系数的探头，包括：探头主体、电缆、绝缘胶层和插头，所述探头主体为三明治结构，所述三明治结构由金属层和2片绝缘层组成，所述2片绝缘层之间夹有所述金属层，所述金属层的头部为一平面双螺旋结构，一金属镍细带从内向外围成所述平面双螺旋结构，所述金属镍细带的两端从所述平面双螺旋结构的尾部朝向所述金属层的尾部延伸且该金属镍细带的每端各形成2条镍带，4条所述镍带形成所述金属层的尾部，每条所述镍带上连接一引线，所述电缆的一端与4根所述引线电连接，另一端连接所述插头，其中，所述电缆包含4根连接线，每一根所述连接线与一根所述引线连接，所述绝缘胶层包覆在所述探头主体的尾部、4根所述引线以及所述电缆的头部外。

在上述技术方案中，所述绝缘层的边缘凸出于所述金属层该侧边缘的距离为1～5mm。

在上述技术方案中，所述绝缘层的厚度为7～100μm。

在上述技术方案中，所述双螺旋结构的外径为4～100mm。

在上述技术方案中，位于所述平面双螺旋结构的金属层的厚度为8～40μm。

在上述技术方案中，位于所述平面双螺旋结构中的金属镍细带的宽度为0.1～0.4mm。

在上述技术方案中，在所述平面双螺旋结构中，每一相邻的金属镍细带之间的距离与该金属镍细带的宽度相同。

在上述技术方案中，所述绝缘胶层的厚度为2～10mm，所述绝缘胶层沿头尾方向的长度为10～50mm，沿左右方向的长度为15～60mm。

在上述技术方案中，所述电缆中的每根连接线外分别包覆有绝缘壳层。

在上述技术方案中，所述引线与所述镍带的连接方式为：所述引线的一端穿过所述绝缘层并与所述镍带焊接。

在上述技术方案中，所述引线与所述镍带的连接方式为：所述引线的一端从所述绝缘层和金属层之间尾部的开口伸入该绝缘层和金属层之间再与所述镍带焊接。

在上述技术方案中，所述2片绝缘层之间涂覆有胶或没有涂覆有胶。

在上述技术方案中，所述镍带的宽度为3～8mm，所述镍带的长度为4～7cm，相邻所述镍带之间的距离为0.5～1mm。

上述探头的制备方法，包括以下步骤：

1)制备所述探头主体，在每条所述镍带上连接一引线，将四根引线分别与所述电缆的四根连接线连接；

在所述步骤1)中，所述探头主体的制备方法为：将2片绝缘层夹在所述金属层的相对两面。

在上述技术方案中，在每条所述镍带上焊接一根所述引线的方法为：所述引线的一端穿过所述绝缘层并与所述镍带焊接或将所述引线的一端从所述绝缘层和金属层之间尾部的开口伸入该绝缘层和金属层之间再与所述镍带焊接。

2)准备一用于形成所述绝缘胶层的模具，所述模具包括：上模具、下模具、下固定板和盖玻片，所述下模具形成有第一通孔，所述下模具放置于所述下固定板上，在所述下模具的第一通孔内倒入液体胶，将所述探头主体的尾部、4根所述引线以及所述电缆的头部水平放在所述第一通孔内液体胶的液面上；所述上模具形成有第二通孔，在所述上模具的底端形成有第一凹槽，所述下模具的顶端形成有第二凹槽，所述第二凹槽的一端与所述下模具的第一通孔相通，所述第一凹槽的一端与所述上模具的第二通孔相通，将所述上模具放置在所述下模具上且所述第二通孔与所述第一通孔相对、所述第一凹槽和第二凹槽相对，所述第一凹槽和第二凹槽所围成空间形成一第三通道，所述第三通道与所述模具的外侧相通，所述第三通道用于将所述电缆伸出至所述模具的外侧；

在上述技术方案中，所述模具还包括：上固定板，所述上固定板形成有第四通孔，所述上固定板放置在所述上模具上。

在上述技术方案中，在所述上固定板和下固定板之间安装有紧固装置，用于压紧位于上固定板和下固定板之间的上模具和下模具。

3)在所述第二通孔内倒入液体胶直至液体胶充满所述第二通孔，在所述第二通孔上盖上所述盖玻片，待所述第一通孔和第二通孔内的液体胶固化形成所述绝缘胶层，得到所述探头。

在上述技术方案中，所述盖玻片位于所述第四通孔内。

上述探头在提高测试准确度中的应用。

上述探头在增加使用寿命中的应用。

相比于现有技术，本发明的探头及其制备方法的有益效果为：

1、本发明所形成的绝缘胶层为一个整体，而不是由上下两块胶体粘连在一起，因此更加牢固且延长使用寿命；

2、插头可直接与导热系数测试仪的机箱上的插座连接，电缆与探头主体之间无需连接件，避免了探头线序出错，使用方便，测量结果准确、重复性好；

3、由于上模具和下模具均为通孔，液体胶形成绝缘胶层后，通过推力很容易就能将绝缘胶层取出而不会破坏该绝缘胶层，保证了探头的完整性和美观性；

4、上固定板和下固定板的设置，使在形成绝缘胶层的过程中不会出现空隙、错位等情况；

5、由于在形成绝缘胶层的过程中使用的是液体胶，可以使得探头主体与电缆焊接处被绝缘胶充分包裹而不会出现气泡等问题，防止在使用过程中出现短路的情况；

6、因为设置有绝缘胶层，绝缘层与金属层之间可以不涂覆胶即可实现固定，防止探头绝缘层在高温下因与金属层热膨胀系数不同而开裂，当绝缘层与金属层之间不涂覆胶时，探头的工作温度上限可以提高至1000摄氏度。

附图说明

图1为本发明的探头的结构示意图；

图2为本发明的模具的结构示意图；

图3为本发明的模具在制备探头过程中的结构示意图；

图4为未封装探头的结构示意图。

其中，1为平面双螺旋结构，2为镍带，3为焊接点，4为引线，5为绝缘层，6为绝缘胶层，7为电缆，8为插头，9为上固定板，10为上模具，11为下模具，12为下固定板，13为盖玻片。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示，一种用于测量导热系数的探头，包括：探头主体、电缆7、绝缘胶层6和插头8，探头主体为三明治结构，三明治结构由金属层和2片绝缘层5组成，2片绝缘层5之间夹着金属层，绝缘层5起到绝缘和增加机械强度的作用。金属层的头部为一平面双螺旋结构1，一金属镍细带从内向外围成平面双螺旋结构1，金属镍细带的两端从平面双螺旋结构1的尾部朝向金属层的尾部延伸且该金属镍细带的每端各形成2条镍带2，4条镍带2形成金属层的尾部，每条镍带2上焊接一引线4，焊接处形成焊接点3，电缆7的一端与4根引线4电连接，另一端连接插头8，插头8用于连接导热系数测试仪，其中，电缆7包含4根连接线，每一根连接线与一根引线4连接，绝缘胶层6包覆在探头主体的尾部、4根引线4以及电缆的头部外，用于引线的绝缘和固定。

实施例2

在实施例1的基础上，绝缘层5的边缘凸出于金属层该侧边缘的距离为1～5mm，例如可以为2mm。绝缘层5的材质可以为聚酰亚胺。当绝缘层5的材质为聚酰亚胺时，根据绝缘层5所选材料的耐热性，探头正常工作的温度范围为-50～230℃。当绝缘层5的材质为云母时，探头正常工作的温度范围为-50～1000℃

绝缘层5的厚度为7～100μm，例如可以为50μm。

双螺旋结构的外径与金属镍细带的宽度和双螺旋圈数有关，具体为双螺旋结构的外径＝金属镍细带的宽度*圈数*4。双螺旋结构的外径为4～100mm，例如可以为4.8mm。

位于平面双螺旋结构1的金属层的厚度为8～40μm，例如可以为10μm。

位于平面双螺旋结构1中的金属镍细带的宽度为0.1～0.4mm，例如可以为0.2mm。

在平面双螺旋结构1中，每一相邻的金属镍细带之间的距离与该金属镍细带的宽度相同。

绝缘胶层6的厚度为2～10mm，绝缘胶层6沿头尾方向的长度为10～50mm，沿左右方向的长度为15～60mm。例如，绝缘胶层6的厚度为5mm，绝缘胶层6沿头尾方向的长度为30mm，沿左右方向的长度为40mm。

电缆7的中每根连接线外分别包覆有绝缘壳层。

因为设置有绝缘胶层，2片绝缘层5之间涂覆有胶或没有涂覆有胶。涂胶的好处是增加了探头的机械强度，不易损坏，探头的金属层不会发生形变，且可以测量液体材料；如不涂胶，探头的厚度更小，另外也可以防止探头绝缘层在高温(高温：200～1000℃)下因为与金属层热膨胀系数不同而开裂，在绝缘层材质满足的条件下，可以将探头的工作温度上限提高至1000摄氏度。

插头为4芯插头。

实施例3

在实施例2的基础上，引线4与镍带2的连接方式为：引线4的一端穿透过绝缘层5并与镍带2焊接。

实施例4

在实施例2的基础上，引线4与镍带2的连接方式为：引线4的一端从绝缘层5和金属层之间尾部的开口伸入该绝缘层5和金属层之间再与镍带2焊接。

实施例5

在实施例1的基础上，绝缘层5的边缘凸出于金属层该侧边缘的距离为4mm。

绝缘层5的厚度为50μm。

双螺旋结构的外径为28mm。

位于平面双螺旋结构1的金属层的厚度为10μm。

位于平面双螺旋结构1中的金属镍细带的宽度为0.35mm。

在平面双螺旋结构1中，每一相邻的金属镍细带之间的距离与该金属镍细带的宽度相同。

绝缘胶层6的厚度为5mm，绝缘胶层6沿头尾方向的长度为40mm，沿左右方向的长度为50mm。

电缆7的中每根连接线外分别包覆有绝缘壳层。

2片绝缘层5之间涂覆有胶或没有涂覆有胶。

插头为4芯插头。

实施例6

在实施例1的基础上，绝缘层5的边缘凸出于金属层该侧边缘的距离为3mm。

绝缘层5的厚度为50μm。

双螺旋结构的外径为12.8mm。

位于平面双螺旋结构1的金属层的厚度为10μm。

位于平面双螺旋结构1中的金属镍细带的宽度为0.2mm。

在平面双螺旋结构1中，每一相邻的金属镍细带之间的距离与该金属镍细带的宽度相同。

绝缘胶层6的厚度为5mm，绝缘胶层6沿头尾方向的长度为35mm，沿左右方向的长度为45mm。

电缆7的中每根连接线外分别包覆有绝缘壳层。

2片绝缘层5之间涂覆有胶或没有涂覆有胶。

插头为4芯插头。

如图2～3所示，上述探头的制备方法，包括以下步骤：

1)将2片绝缘层5夹在金属层的相对两面获得探头主体。在探头主体的每条镍带2上焊接一根引线4，将4根引线4与电缆的4根连接线连接。在每条镍带2上焊接一根引线4的方法为：引线4的一端穿透过绝缘层5并与镍带2焊接或将引线4的一端从绝缘层5和金属层之间尾部的开口伸入该绝缘层5和金属层之间再与镍带2焊接。

2)准备一用于形成绝缘胶层6的模具，模具包括：上模具10、下模具11、下固定板12和盖玻片13，下模具11形成有第一通孔(可以为多边形)，下模具11放置于下固定板12上，在下模具11的第一通孔内倒入液体胶(有机硅封装胶)，将探头主体的尾部、4根引线4以及电缆的头部水平放在第一通孔内液体胶的液面上；上模具10形成有第二通孔(可以为多边形)，在上模具10的底端形成有第一凹槽，下模具11的顶端形成有第二凹槽，第二凹槽的一端与下模具11的第一通孔相通，第一凹槽的一端与上模具10的第二通孔相通，将上模具10放置在下模具11上且第二通孔与第一通孔相对、第一凹槽和第二凹槽相对，第一凹槽和第二凹槽所围成空间形成一第三通道，第三通道与模具的外侧相通，第三通道用于将电缆伸出至模具的外侧；

3)在第二通孔内倒入液体胶直至液体胶充满第二通孔，在第二通孔上盖上盖玻片13，观察液体胶，若有气泡应及时添加液体胶使得绝缘胶层的表面平整；待第一通孔和第二通孔内的液体胶固化形成绝缘胶层6，得到探头，其中，盖玻片13可以为玻璃片，用于保持绝缘胶层表面的平整。

作为优选，模具还包括：上固定板9，上固定板9形成有第四通孔，在将上模具10放置在下模具11上后，再将上固定板9放置在上模具10上。再在第二通孔上盖上盖玻片13，此时，该盖玻片13位于第四通孔内。

上固定板和下固定板的材质均可以为不锈钢材质。在上固定板9和下固定板12之间安装有紧固装置，用于压紧位于上固定板9和下固定板12之间的上模具10和下模具11。紧固装置可以为螺栓，为了实现紧固，在上固定板9和下固定板12的四角均可开设有小孔，将螺栓穿过小孔实现紧固。

上述探头的使用方法与国标GB/T 32064-2015中所述测试过程相同。

按照国标GB/T 32064-2015中所述测试方法用本发明实施例6所得的探头测试标准样品PMMA的导热系数，PMMA的导热系数标准值为0.195W/m·K。在相同的条件下测量5次，每次测试时将探头重新与导热系数分析仪连接，具体结果如表1所示。

表1本发明探头测量标准样品PMMA导热系数数据表

在相同的条件下用未封装探头测量5次，每次测试时将探头重新与导热系数分析仪连接(即每次测试时均进行以下操作：将4根引线4与电缆的4根连接线连接)，具体结果如表2所示。

未封装探头由金属层和2片绝缘层5组成，2片绝缘层5之间夹着金属层，绝缘层5起到绝缘和增加机械强度的作用。金属层的头部为一平面双螺旋结构1，一金属镍细带从内向外围成平面双螺旋结构1，金属镍细带的两端从平面双螺旋结构1的尾部朝向金属层的尾部延伸且该金属镍细带的每端各形成2条镍带2，4条镍带2形成金属层的尾部，每条镍带2上焊接一引线4，焊接处形成焊接点3，至此形成所述未封装探头。

绝缘层5的边缘凸出于金属层该侧边缘的距离为3mm。

绝缘层5的厚度为50μm。

双螺旋结构的外径为12.8mm。

位于平面双螺旋结构1的金属层的厚度为10μm。

位于平面双螺旋结构1中的金属镍细带的宽度为0.2mm。

在平面双螺旋结构1中，每一相邻的金属镍细带之间的距离与该金属镍细带的宽度相同。

表2未封装探头测量标准样品PMMA导热系数数据表

由表1可知，本发明的探头测试准确，测量重复性好。本发明的探头不仅使用方便，测量结果准确，还能够很好的提高探头的使用寿命，在20～30℃环境下，探头可长期使用。在升温至耐温极限(根据绝缘层5的材质的选择，耐温极限为230℃或1000℃)下其寿命仅受限于绝缘胶层及探头电缆的老化。

分别对本发明的探头和未封装探头进行寿命测试，在相同条件下，用两种探头测量标准样品的导热系数，每次测试均重新将探头与导热系数分析仪连接，每个探头测试300次，结果发现，本发明的探头基本没有变化，而未封装的探头四条引线出现明显的断裂或者形变，且测量重复性和准确性低于本发明的探头(实施例6中探头和未封装探头的绝缘层的材质均为聚酰亚胺且2片绝缘层5之间涂覆有胶)。

综上所述，本发明的探头不仅测量准确，测量重复性好，且使用寿命更长，因此本发明具有较好的使用效果。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种用于测量导热系数的探头的制备方法，探头包括：探头主体、电缆（7）、绝缘胶层（6）和插头（8），所述探头主体为三明治结构，所述三明治结构由金属层和2片绝缘层（5）组成，所述2片绝缘层（5）之间夹有所述金属层，所述金属层的头部为一平面双螺旋结构（1），一金属镍细带从内向外围成所述平面双螺旋结构（1），所述金属镍细带的两端从所述平面双螺旋结构（1）的尾部朝向所述金属层的尾部延伸且该金属镍细带的每端各形成2条镍带（2），4条所述镍带（2）形成所述金属层的尾部，每条所述镍带（2）上连接一引线（4），所述电缆（7）的一端与4根所述引线（4）电连接，另一端连接所述插头（8），其中，所述电缆（7）包含4根连接线，每一根所述连接线与一根所述引线（4）连接，所述绝缘胶层（6）包覆在所述探头主体的尾部、4根所述引线（4）以及所述电缆（7）的头部外，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

1）制备所述探头主体，在每条所述镍带（2）上连接一引线（4），将四根引线（4）分别与所述电缆（7）的四根连接线连接；

2）准备一用于形成所述绝缘胶层（6）的模具，所述模具包括：上模具（10）、下模具（11）、下固定板（12）和盖玻片（13），所述下模具（11）形成有第一通孔，所述下模具（11）放置于所述下固定板（12）上，在所述下模具（11）的第一通孔内倒入液体胶，将所述探头主体的尾部、4根所述引线（4）以及所述电缆（7）的头部水平放在所述第一通孔内液体胶的液面上；所述上模具（10）形成有第二通孔，在所述上模具（10）的底端形成有第一凹槽，所述下模具（11）的顶端形成有第二凹槽，所述第二凹槽的一端与所述下模具（11）的第一通孔相通，所述第一凹槽的一端与所述上模具（10）的第二通孔相通，将所述上模具（10）放置在所述下模具（11）上且所述第二通孔与所述第一通孔相对、所述第一凹槽和第二凹槽相对，所述第一凹槽和第二凹槽所围成空间形成一第三通道，所述第三通道与所述模具的外侧相通，所述第三通道用于将所述电缆（7）伸出至所述模具的外侧；

3）在所述第二通孔内倒入液体胶直至液体胶充满所述第二通孔，在所述第二通孔上盖上所述盖玻片（13），待所述第一通孔和第二通孔内的液体胶固化形成所述绝缘胶层（6），得到所述探头。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘层（5）的边缘凸出于所述金属层的边缘的距离为1~5mm；所述绝缘层（5）的厚度为7~100μm。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述双螺旋结构的外径为4~100mm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，位于所述平面双螺旋结构（1）的金属层的厚度为8~40μm。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，位于所述平面双螺旋结构（1）中的金属镍细带的宽度为0.1~0.4mm。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述平面双螺旋结构（1）中，每一相邻的金属镍细带之间的距离与该金属镍细带的宽度相同。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘胶层（6）的厚度为2~10mm，所述绝缘胶层（6）沿头尾方向的长度为10~50mm，沿左右方向的长度为15~60mm。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述电缆（7）中的每根连接线外分别包覆有绝缘壳层。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述2片绝缘层（5）之间涂覆有胶或没有涂覆有胶。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述镍带（2）的宽度为3~8mm，所述镍带（2）的长度为4~7cm，相邻所述镍带（2）之间的距离为0.5~1mm。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述引线（4）与所述镍带（2）的连接方式为：所述引线（4）的一端穿过所述绝缘层（5）并与所述镍带（2）焊接。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述引线（4）与所述镍带（2）的连接方式为：所述引线（4）的一端从所述绝缘层（5）和金属层之间尾部的开口伸入该绝缘层（5）和金属层之间再与所述镍带（2）焊接。

13.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1）中，所述探头主体的制备方法为：将2片绝缘层（5）夹在所述金属层的相对两面。

14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述镍带（2）与引线（4）焊接，在每条所述镍带（2）上焊接一根所述引线（4）的方法为：所述引线（4）的一端穿过所述绝缘层（5）并与所述镍带（2）焊接或将所述引线（4）的一端从所述绝缘层（5）和金属层之间尾部的开口伸入该绝缘层（5）和金属层之间再与所述镍带（2）焊接。

15.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述模具还包括：上固定板（9），所述上固定板（9）形成有第四通孔，所述上固定板（9）放置在所述上模具（10）上。

16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，在所述上固定板（9）和下固定板（12）之间安装有紧固装置，用于压紧位于上固定板（9）和下固定板（12）之间的上模具（10）和下模具（11）。

17.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述盖玻片（13）位于所述第四通孔内。

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