CN112666207B - 一种多孔高导热材料的热导率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多孔高导热材料的热导率测试方法，属于多孔高导热材料热导率测试技术领域，解决了因多孔高导热材料接触热阻较大导致的热导率测试准确度较低的问题。方法步骤为：熔化放置在第一加热板上的金属；待金属完全熔化后，将待测样品的一面放在熔化的金属上，冷却、凝固金属，使待测样品与第一加热板固定；熔化放置在第二加热板上的金属；待金属完全熔化后，将翻转的待测样品的另一面放在熔化的金属上，使待测样品与第二加热板固定；基于保护热板法测试待测样品的热导率；第一加热板为上加热板或下加热板中的一个；第二加热板为上加热板或下加热板中的另一个。该方法减小了多孔高导热材料的接触热阻、提升了其热导率测试的准确度。

Description

一种多孔高导热材料的热导率测试方法

技术领域

本发明涉及多孔高导热材料的热导率测试技术领域，尤其涉及一种多孔高导热材料的热导率测试方法。

背景技术

当采用稳态法测量材料的热导率时，一般基于一维稳态传热模型实现。其测量过程可表述为：将待测样品置于冷、热面之间，热流依次通过热面、待测样品的上表面、待测样品、待测样品的下表面和冷面，然后测量待测样品厚度，并获取待测样品上、下表面的温度，还通过测量或计算得到待测样品的热流，基于获取的以上数据，最终求得待测样品的热导率值。

而对于多孔高导热材料(λ≥50W/(m·K))，如碳泡沫或铜泡沫，待测样品同冷、热板之间的接触面积远小于样品自身的横截面积，造成热流收缩，从而产生接触热阻。对碳泡沫进行测试时发现，采用保护热板法原理(GB/T 10294)测试计算得到的热导率远小于碳泡沫材料本身应该具有的热导率范围下限(例如，某泡沫材料热导率值可能不低于100W/(m·K)，但测试计算后得到的热导率仅有50W/(m·K)左右)，说明接触热阻同待测样品的热阻在同一数量级，严重影响了热导率测试的准确性。

在实验室中，常用的减小接触热阻方法包括：在样品表面涂导热膏，以增大样品和上、下加热板之间的接触面积；这种方法的缺陷是，导热膏自身的导热系数一般在10W/(m·K)以下，因此，导热膏仅适用于导热系数较低的材料，且导热膏属于有机物，在高温下会出现老化失效现象，无法满足多孔高导热材料的热导率测试需求。此外，虽然增加压力对减小多孔高导热材料的接触热阻有一定效果，但是，由于多孔高导热材料本身强度较低，因此，增加压力对减小多孔高导热材料的接触热阻的效果非常有限。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种多孔高导热材料的热导率测试方法，用于解决现有技术中因多孔高导热材料接触热阻较大导致的热导率测试准确度较低的问题。

本发明实施例提供了一种多孔高导热材料的热导率测试方法，包括以下步骤：

熔化放置在第一加热板上的金属；待所述金属完全熔化后，将待测样品的一面放在熔化的所述金属上，冷却、凝固所述金属，使所述待测样品与所述第一加热板固定；所述待测样品的材质为多孔高导热材料；

熔化放置在第二加热板上的金属；待所述金属完全熔化后，将翻转的待测样品的另一面放在熔化的所述金属上，使所述待测样品与所述第二加热板固定；

基于保护热板法测试所述待测样品的热导率；

所述第一加热板为上加热板或下加热板中的一个；所述第二加热板为上加热板或下加热板中的另一个。

上述技术方案的有益效果如下：本发明提供的多孔高导热材料的热导率测试方法，通过在待测样品的两面渗入金属，待金属冷却、凝固后，测试与上、下加热板固定的多孔高导热材料的热导率。该方法能够有效增大多孔高导热材料的表面积、减小多孔高导热材料的接触热阻，还使得多孔高导热材料的表面更容易贴合，从而能够保证热导率测试结果更加精确，很好地解决了现有技术中因多孔高导热材料接触热阻较大导致的热导率测试准确度较低的问题。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

基于上述方法的进一步改进，在所述熔化放置在第一加热板上的金属之前，加热所述第一加热板至所述金属熔点以上；

在所述熔化放置在第二加热板上的金属之前，加热所述第二加热板至所述金属熔点以上。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：通过在熔化金属之前加热第一加热板、第二加热板至金属熔点以上，能够保证放置在第一加热板、第二加热板上的金属能够完全熔化，同时上述设置缩短了金属熔化的时间，提高了测试效率。

基于上述方法的进一步改进，所述第一加热板和第二加热板靠近待测样品的一面的周边均设置有向待测样品方向延伸的边沿，以放置熔化后的所述金属。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：上述设置能够防止熔化后的金属溢出。

基于上述方法的进一步改进，所述方法还包括：

在所述基于保护热板法测试所述待测样品的热导率之前，在所述待测样品及第一加热板、第二加热板的侧面包裹隔热棉毡。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：上述设置能够有效避免因待测样品与第一加热板、第二加热板形成的固定结构的侧壁散热导致的热导率测试结果准确度降低。

基于上述方法的进一步改进，所述基于保护热板法测试所述待测样品的热导率之后，还包括：

分别加热所述第一加热板、第二加热板至金属熔点以上，取下所述待测样品。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：上述设置能够实现待测样品、金属的重复使用，提升了待测样品、金属的利用率，具备较强的实用性。

基于上述方法的进一步改进，所述金属的熔点在利用保护热板法测试时的测试温度与所述待测样品的耐受温度之间。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：上述设置既能保证测试过程中金属不至于熔化，还能保证上述结构能够很好地完成测试需求，能够实现不同测试温度下的热导率测试。

基于上述方法的进一步改进，当测试温度为室温时，所述金属为焊锡。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：上述设置给出了测试温度为室温时金属的优选设置，便于指导本领域的技术人员完成测试温度为室温时的热导率测试过程。

基于上述方法的进一步改进，所述第一加热板、第二加热板的边沿凸起为3-5mm。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：上述设置给出了第一加热板、第二加热板的边沿凸起的优选尺寸设置，便于指导本领域的技术人员根据本实施例提供的优选尺寸制作第一加热板、第二加热板，更好地完成热导率测试。

基于上述方法的进一步改进，所述金属渗入所述待测样品的所述一面、所述另一面的深度均控制在1mm以内。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：上述设置给出了金属渗入待测样品的优选深度尺寸，避免金属渗入待测样品过深影响热导率测试结果的准确度。

基于上述方法的进一步改进，通过加压方式使所述金属渗入所述待测样品的所述一面、所述另一面。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：上述设置给出了金属渗入待测样品两面的优选方式，同时，加压方式能够保证金属均匀地深入待测样品中。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中提供的多孔高导热材料的热导率测试方法流程图；

图2为本发明实施例中提供的另一多孔高导热材料的热导率测试方法流程图；

图3为本发明实施例中提供的多孔高导热材料的热导率测试装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种多孔高导热材料的热导率测试方法，流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：熔化放置在第一加热板上的金属；待所述金属完全熔化后，将待测样品的一面放在熔化的所述金属上，冷却、凝固所述金属，使所述待测样品与所述第一加热板固定；所述待测样品的材质为多孔高导热材料；

步骤S2：熔化放置在第二加热板上的金属；待所述金属完全熔化后，将翻转的待测样品的另一面放在熔化的所述金属上，使所述待测样品与所述第二加热板固定；

步骤S3：基于保护热板法测试所述待测样品的热导率；该方法参考方法参考GB/T10294；由于保护热板法为现有技术，因此，本实施例不再描述利用保护热板法测试待测样品热导率的具体过程。

需要说明的是，以上步骤中描述的第一加热板、第二加热板对应于保护热板法测试过程中用到的上加热板、下加热板。在执行步骤S1、S2过程中，对先熔化放置在上加热板上的金属、还是先熔化放置在下加热板上的金属不做顺序要求，只要保证执行完步骤S1和S2后，待测样品能与上加热板、下加热板固定即可。因此，在本实施例中，所述第一加热板为上加热板或下加热板中的一个；所述第二加热板为上加热板或下加热板中的另一个。

与现有技术相比，本实施例提供的多孔高导热材料的热导率测试方法，通过在待测样品的两面渗入金属，待金属冷却、凝固后，基于保护热板法测试与上、下加热板固定的多孔高导热材料的热导率。两面均渗入金属多孔高导热材料，有效增大了多孔高导热材料的表面积、减小多孔高导热材料的接触热阻，还使得多孔高导热材料的表面更容易贴合，从而能够保证热导率测试结果更加精确，很好地解决了现有技术中因多孔高导热材料接触热阻较大导致的热导率测试准确度较低的问题，为本领域技术人员测试多孔高导热材料的热导率提供了技术指导。

优选地，在所述熔化放置在第一加热板上的金属之前，加热所述第一加热板至所述金属熔点以上；在所述熔化放置在第二加热板上的所述金属之前，加热所述第二加热板至所述金属熔点以上，以便放置在第一加热板、第二加热板上的金属能够完全熔化。

优选地，实际操作过程中，还可以将液态金属直接放置在第一加热板和第二加热板上，这种设置方式能够有效缩短金属熔化的时间，提高了热导率测试的效率。此外，实际操作过程中，为减少不必要的设备的使用，可直接利用保护热板法测试过程中用到的加热体加热第一加热板、第二加热板。

优选地，为防止熔化后的金属溢出，所述第一加热板和第二加热板靠近待测样品的一面的周边均设置有向待测样品方向延伸的边沿，以放置熔化后的所述金属。示例性地，所述第一加热板、第二加热板的边沿凸起为3-5mm。

此外，为保证待测样品能够完全放置在具有边沿结构、且其内放置熔化后的金属的第一加热板、第二加热板中，实际测试过程中，应保证第一加热板、第二加热板的边长大于待测样品的边长。同时，在向第一加热板、第二加热板中放置金属时，应保证在第一加热板、第二加热板的表面铺满金属液体。

优选地，为防止待测样品与第一加热板、第二加热板形成的固定结构的侧壁散热导致的热导率测试结果准确度降低，因此，在所述基于保护热板法测试所述待测样品的热导率之前，还可在所述待测样品及第一加热板、第二加热板的侧面包裹隔热棉毡或其他隔热材料，尽可能较少侧壁散热。

优选地，在所述基于保护热板法测试所述待测样品的热导率之后，分别加热所述第一加热板、第二加热板至金属熔点以上，取下所述待测样品。此外，第一加热板、第二加热板上附着的液体金属还可用于相同材料的下次测试。

优选地，在本实施例中，用于界面处理的金属一般选取低熔点金属，需要说明的是，为保证测试过程中待测样品与第一加热板、第二加热板能够相对固定，所选取的金属的熔点在利用保护热板法测试时的测试温度与所述待测样品的耐受温度之间，通过这样设置，既能保证测试过程中金属不至于熔化，还能保证上述结构能够很好地完成测试需求。示例性地，当采用保护热板法测试过程中的测试温度为室温时，可选用焊锡作为本次测试过程中的界面金属材料。若测试温度升高或降低，则可选择其他满足测试需求的金属，例如锡或其他低熔点金属，具体种类可以参考钎焊。

优选地，为避免金属渗入待测样品过深影响热导率测试结果的准确度，所述金属渗入所述待测样品的所述一面、所述另一面的深度均控制在1mm以内。实际操作过程中，可通过加压方式使所述金属能够均匀地渗入所述待测样品的所述一面、所述另一面。

此外，本实施例中用到的多孔高导热材料，应为块状多孔材料，上、下表面应具有较好的平行度，考虑到样品热导率大，单位厚度上的热阻小，因此，应根据热导率范围适当增大待测样品的厚度，示例性地，样品的厚度为50-100mm，边长为100mm。

基于本实施例中的以上设置，能够有效降低多孔高导热材料的界面接触热阻。由于金属的热导率明显高于导热膏的热导率，因此，在利用本实施例的方法测试多孔高导热材料热导率的过程中，可通过更换金属种类以适应保护热板法测试过程中的不同测试温度。多数情况下，上述多孔高导热材料的热导率测试方法中用到的金属可重复使用，由此可以有效缩短测试时间，提高金属材料的利用率，同时减少熔化、冷却、凝固金属等过程带来的工作量。

在本实施例的附图2中，提供了另一种多孔高导热材料的热导率测试方法流程图，在该流程图中，将下加热板作为第一加热板、将上加热板作为第二加热板。

需要说明的是，本实施例提供的多孔高导热材料的热导率测试方法能够减小接触热阻的理由是：

一般情况下，物体的接触表面并不是完全接触的，实际的接触面积会小于物体的横截面积，也就是说，待测样品在接触表面的横截面积会变小。

由于样品材料的导热系数远高于空气，接触面同样品间隙中的空气导热可以忽略不计。对高导热材料而言，接触热阻同实际接触面积成近似反比关系，而多孔高导热材料同上、下加热板的接触面积远远小于普通实心样品，其接触热阻可能超过样品本身热阻，因此，本实施例中方法的原理就在于：通过增大多孔多孔高导热材料同上、下加热板的接触面积，从而多孔多孔高导热材料同上、下加热板的降低接触热阻。

步骤S3中使用的热导率测试装置结构示意图如图3所示，该装置包括：上加热板、下加热板、加热体、水冷板(冷却循环)、测温热电偶、温控表、隔热层等。测试装置的具体结构和测试方式可参考保护热板法的相关内容，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多孔高导热材料的热导率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

熔化放置在第一加热板上的金属；待所述金属完全熔化后，将待测样品的一面放在熔化的所述金属上，冷却、凝固所述金属，使所述待测样品与所述第一加热板固定；所述待测样品的材质为多孔高导热材料；所述金属的熔点在利用保护热板法测试时的测试温度与所述待测样品的耐受温度之间；

熔化放置在第二加热板上的金属；待所述金属完全熔化后，将翻转的待测样品的另一面放在熔化的所述金属上，使所述待测样品与所述第二加热板固定；所述金属渗入所述待测样品的所述一面、所述另一面的深度均控制在1mm以内；

基于保护热板法测试所述待测样品的热导率；其中，直接利用保护热板法测试过程中用到的加热体加热第一加热板、第二加热板；通过更换金属种类以适应保护热板法测试过程中的不同测试温度；

所述第一加热板为上加热板或下加热板中的一个；所述第二加热板为上加热板或下加热板中的另一个。

2.根据权利要求1所述的多孔高导热材料的热导率测试方法，其特征在于，

在所述熔化放置在第一加热板上的金属之前，加热所述第一加热板至所述金属熔点以上；

在所述熔化放置在第二加热板上的金属之前，加热所述第二加热板至所述金属熔点以上。

3.根据权利要求1或2所述的多孔高导热材料的热导率测试方法，其特征在于，

所述第一加热板和第二加热板靠近待测样品的一面的周边均设置有向待测样品方向延伸的边沿，以放置熔化后的所述金属。

4.根据权利要求1所述的多孔高导热材料的热导率测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述基于保护热板法测试所述待测样品的热导率之前，在所述待测样品及第一加热板、第二加热板的侧面包裹隔热棉毡。

5.根据权利要求2所述的多孔高导热材料的热导率测试方法，其特征在于，所述基于保护热板法测试所述待测样品的热导率之后，还包括：分别加热所述第一加热板、第二加热板至金属熔点以上，取下所述待测样品。

6.根据权利要求1所述的多孔高导热材料的热导率测试方法，其特征在于，当测试温度为室温时，所述金属为焊锡。

7.根据权利要求3所述的多孔高导热材料的热导率测试方法，其特征在于，所述第一加热板、第二加热板的边沿凸起为3-5mm。

8.根据权利要求1所述的多孔高导热材料的热导率测试方法，其特征在于，通过加压方式使所述金属渗入所述待测样品的所述一面、所述另一面。

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