CN117129516A - 一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法，由下至上依次包括：底板、平板热管、定位格栅、加热电阻和上盖板；热源采用加热电阻，冷源采用平板热管，待测导热界面材料位于热源与冷源之间，热源加热电阻及冷源均热板温度整体一致，仅需测量冷源及热源两个位置处的温度，即可准确得到接触界面的温差，大大减少了测点数量，简化了实验系统，可以直观得到导热界面材料处的温差，再通过控制热源加热电阻功率来精确得到通过固体界面的热量，即可获得待测导热界面材料的接触热阻；同时根据待测导热界面材料数量，一次可以测量多组导热界面材料接触热阻，节省了大量试验时间。
Description
技术领域
本发明属于接触热阻测试领域，特别涉及一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法。
背景技术
航天器电子产品在预研及在轨飞行阶段要经历严苛的热环境，为了保证航天器产品运行的稳定性，防止热失效，必须针对发热元器件到舱板热沉的导热路径进行有效控制。航天器电子产品在舱内主要传热方式是热传导，而导热路径上热阻主要由固体内部导热热阻及固体与固体界面间的接触热阻组成。接触热阻主要描述了固体与固体不完全接触而对热传导产生的阻碍作用，是决定多层固体组合温度场的关键参数，且接触热阻的求解是研究多层固体之间传热要解决的重点问题之一。
实际工程应用发现，接触热阻与接触固体材料，接触界面压力及接触面形貌状态等众多复杂因素有关，因此接触热阻的求解主要还是基于实验研究，还没有一种具有普适性的接触热阻求解模型。截止到目前，在热设计过程中，接触热阻参数数据主要基于以往热试验积累的数据。由于不同导热界面材料种类及接触状态对接触热阻求解结果影响很大，且近年来随着元器件集成度提高，亟须引入高性能导热界面材料，因此必须准确模拟固体接触面的实际工况，减小热设计仿真过程中接触热阻参数与实际的偏差。
综上所述，有必要提供一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法，准确测定导热界面材料接触热阻，为高性能导热界面材料的研发、选用提供支撑。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法，以获取不同导热界面材料或同一导热界面材料不同接触状态下界面间的接触热阻。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种导热界面材料接触热阻的测试装置，由下至上依次包括：底板、平板热管、定位格栅、加热电阻和上盖板；
底板为金属平板，支撑其上各组件；
平板热管作为冷源，其上支撑待测导热界面材料，对待测导热界面材料散热；
定位格栅为板框结构，下板面加工有与平板热管的外缘吻合的限位框，定位格栅上开设格栅孔，用于定位待测导热界面材料在平板热管上的安放位置；待测导热界面材料在平板热管上的安放位置确定后，定位格栅自平板热管上取出；
加热电阻作为热源，压在待测导热界面材料上，通过控制其功率确定通过待测导热界面材料的热量，通过确定加热电阻和平板热管的温度获得接触界面的温差；
上盖板的下板面上设置有内设螺纹的中空支撑杆和调节压杆，中空支撑杆下端开口并抵在平板热管上，调节压杆下端抵在加热电阻上，螺纹连接件自上盖板依次穿过中空支撑杆和平板热管，在底板内完成测试装置支撑结构的紧固；
或者，上盖板的下板面上不设置调节压杆，上盖板对应加热电阻的区域开设上下贯通的空域，调节盖板的下板面上固定有调节压杆，调节盖板覆盖在空域上，调节压杆延伸至空域下方，对加热电阻抵压固定。。
第二方面，一种导热界面材料接触热阻的测试方法，包括如下方法：
依次叠放底板、平板热管和定位格栅，通过定位格栅定位待测导热界面材料在平板热管上的安放位置，待测导热界面材料在平板热管上的安放位置确定后，定位格栅自平板热管上取出；
在待测导热界面材料上压放加热电阻并加盖带有调节压杆的上盖板，或者加盖上盖板和带有调节压杆的调节盖板，通过螺纹连接件完成测试装置支撑结构的紧固，通过调节压杆压紧热电阻和待测导热界面材料；
对加热电阻通电，控制其功率确定通过待测导热界面材料的热量Q，测量加热电阻和平板热管的温度获得接触界面的温差ΔT；接触热阻R＝ΔT/Q。
根据本发明提供的一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法，热源采用加热电阻，冷源为平板热管，可以实现热源结构与冷源本体温度均匀，仅需测量冷源及热源两个位置处的温度，即可准确得到接触界面的温差，大大减少了测点数量，简化了实验系统，可以直观得到导热界面材料处的温差；再通过控制热源加热电阻功率来精确得到通过固体界面的热量，即可获得待测导热界面材料的接触热阻；
(2)本发明提供的一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法，可以根据待测导热界面材料数量，一次可以测量多组导热界面材料接触热阻，节省了大量试验时间；
(3)本发明提供的一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法，支撑杆、调节压杆等支撑材料为热导率低的聚酰亚胺材料制作，底板为热导率高的金属材料，保证加热电阻的热量全部由上至下传递，同时使得测试装置温度能迅速达到稳态，大幅减小实验时间；
(4)本发明提供的一种导热界面材料接触热阻的测试装置及方法，利用调节压杆来控制导热材料压缩量，以测量不同间隙状态工况的接触热阻。
附图说明
图1为一种导热界面材料接触热阻测试装置的结构分解示意图。
附图标号说明
1-底板；2-平板热管；3-待测导热界面材料；4-定位格栅；5-加热电阻；6-支撑杆；7-调节压杆；8-上盖板；9-调节盖板。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
接触热阻测量原理如下：当两个固体试件在一定压力下相互接触并有热量传递时，由于试件处于真空条件下时，没有对流换热，辐射换热量也很少，因而近似认为加热器产生的热量全部通过接触界面，并沿试件轴向传递，虽然在接触面附近的区域，由于接触面积的收缩，导致局部热流是三维的，但热量离开接触面之后，热流又会沿轴向传递，从宏观上看，可认为热量在试件中是按照试件轴向方向来传递的。
当有一定的热量通过界面时，由于接触表面的微观不平整，使得接触界面产生一定的温差ΔT，根据一维稳态导热定律，接触热阻的公式如下：
R＝ΔT/Q
式中各参数的含义如下：
ΔT：接触界面的温差；
Q：通过界面的热流；
R：接触热阻。
传统的接触热阻测量装置/方法无法直观准确的得到导热界面材料接触热阻。
本发明提供了一种导热界面材料接触热阻的测试装置，热源采用加热电阻，冷源采用平板热管，待测导热界面材料位于热源与冷源之间，热源加热电阻及冷源均热板温度整体一致，仅需测量冷源及热源两个位置处的温度，即可准确得到接触界面的温差，大大减少了测点数量，简化了实验系统，可以直观得到导热界面材料处的温差，再通过控制热源加热电阻功率来精确得到通过固体界面的热量，即可获得待测导热界面材料的接触热阻。
如图1所示，导热界面材料接触热阻的测试装置，由下至上依次包括：底板1、平板热管2、定位格栅4、加热电阻5和上盖板8；
底板1为金属平板如铝板，支撑其上各组件；
平板热管2作为冷源，其上支撑待测导热界面材料3，对待测导热界面材料3散热；
定位格栅4为板框结构，下板面加工有与平板热管2的外缘吻合的限位框，定位格栅4上开设格栅孔，用于定位待测导热界面材料3在平板热管上的安放位置；待测导热界面材料3在平板热管上的安放位置确定后，定位格栅4自平板热管2上取出；
加热电阻5作为热源，压在待测导热界面材料3上，通过控制其功率确定通过待测导热界面材料3的热量Q，通过确定加热电阻5和平板热管2的温度获得接触界面的温差ΔT；
上盖板8的下板面上设置有内设螺纹的中空支撑杆6和调节压杆7，中空支撑杆6下端开口并抵在平板热管2上，调节压杆7下端抵在加热电阻5上，螺纹连接件自上盖板8依次穿过中空支撑杆6和平板热管2，在底板1内完成测试装置支撑结构的紧固。
在一种优选的实施方式中，所述上盖板8可为多组，带有不同长度调节压杆7；通过更换带有不同长度调节压杆7的上盖板8，控制待测导热界面材料3的压缩程度，可确定不同接触状态下导热界面材料的接触热阻。
在另一种优选的实施方式中，所述测试装置还包括调节盖板9，所述调节盖板9的下板面上固定有调节压杆7；所述上盖板8(不带调节压杆7)对应加热电阻5的区域开设上下贯通的空域，调节盖板9覆盖在空域上，调节压杆7延伸至空域下方，对加热电阻5抵压固定。调节盖板9可为多组，带有不同长度调节压杆7；通过更换调节盖板9，控制待测导热界面材料3的压缩程度，可确定不同接触状态下导热界面材料的接触热阻。该方式相较于上盖板8上安装调节压杆7的方式，该方式对测试条件的调节更为灵活。
在一种优选的实施方式中，所述平板热管2的最大热流密度100W，等温性小于1℃。
在一种优选的实施方式中，所述定位格栅4上加工多个格栅孔，以在平板热管上定位多个待测导热界面材料3，各待测导热界面材料3上方依次设置相应的加热电阻5和调节压杆7，以同时获取不同导热界面材料或同一导热界面材料不同接触状态下界面间的接触热阻。
在一种优选的实施方式中，所述加热电阻5的电阻范围为50～100Ω。
在一种优选的实施方式中，所述平板热管2和加热电阻5的温度通过温度传感器确定，所述温度传感器为工业级T型(铜-康铜)热电偶，测量温度范围为-200～300℃。
在一种优选的实施方式中，所述待测导热界面材料3的压缩量通过平板热管2和加热电阻5之间的间隙确定。
本发明还提供了一种导热界面材料接触热阻的测试方法，包括如下方法：
依次叠放底板1、平板热管2和定位格栅4，通过定位格栅4定位待测导热界面材料3在平板热管上的安放位置，待测导热界面材料3在平板热管上的安放位置确定后，定位格栅4自平板热管2上取出；
在待测导热界面材料3上压放加热电阻5并加盖带有调节压杆7的上盖板8，或者加盖上盖板8(不带有调节压杆7)和带有调节压杆7的调节盖板9，通过螺纹连接件完成测试装置支撑结构的紧固，通过调节压杆7压紧热电阻5和待测导热界面材料3；
对加热电阻5通电，控制其功率确定通过待测导热界面材料3的热量Q，测量加热电阻5和平板热管2的温度获得接触界面的温差ΔT；接触热阻R＝ΔT/Q。
实施例
选择常用的导热垫GAP Pad3000S30作为参考，以验证试验装置测量接触热阻准确性，测量了导热垫1、2、3、4、5、6、7等七种高性能国产导热垫接触热阻。试验加热电阻热耗为4.5W，发热区域为14mm*12mm。
主要试验步骤如下：
(1)用酒精清洗平板热管和加热电阻接触表面，保证平板热管和加热电阻表面光洁，无杂质；
(2)安装测量装置，保证导热界面材料(导热垫)厚度符合测量要求，导热界面材料制成与加热电阻大小相等的垫片；
(3)贴热电偶测点，在加热电阻左右侧面贴装两个热电偶；同时在平板热管表面贴装3个热电偶测点，以消除测量误差；
(4)抽取真空，关闭真空罐，启动真空抽气系统，调节真空泵和分子泵，使得真空容器内压力不大于10-2Pa；
(5)接通加热电阻电源及测温模块，保证其处于正常工作状态，读取电压电流获得加热电阻热耗，热电偶输出信号通过温度接收模块送入电脑，从而获得各测点的温度分布；
(6)实验开始后，每间隔5-10分钟记录热电偶数据，直到实验台各测温点温度达到稳定。热稳定判据是在半小时实验间隔内，各点的温度变化值小于0.1℃；
(7)实验数据处理，测量出导热界面材料两侧温降ΔT，以及热量Q，按照实验接触热阻测量原理，得到不同导热界面材料接触热阻；数据结果见表1。
表1
本发明应用于航天用导热界面材料的接触热阻测量，获取了大量的导热垫、导热凝胶、导热硅橡胶等界面材料在不同压缩量下的接触热阻数值。这些接触热阻数据作为输入参数，已经成功应用航天电子产品热仿真中。此外，该成果还可以推广应用于测量航天用金属间接触热阻，整体评价航天用金属间的干接触效果。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，由下至上依次包括：底板(1)、平板热管(2)、定位格栅(4)、加热电阻(5)和上盖板(8)；
底板(1)为金属平板，支撑其上各组件；
平板热管(2)作为冷源，其上支撑待测导热界面材料(3)，对待测导热界面材料(3)散热；
定位格栅(4)为板框结构，下板面加工有与平板热管(2)的外缘吻合的限位框，定位格栅(4)上开设格栅孔，用于定位待测导热界面材料(3)在平板热管上的安放位置；待测导热界面材料(3)在平板热管上的安放位置确定后，定位格栅(4)自平板热管(2)上取出；
加热电阻(5)作为热源，压在待测导热界面材料(3)上，通过控制其功率确定通过待测导热界面材料(3)的热量，通过确定加热电阻(5)和平板热管(2)的温度获得接触界面的温差；
上盖板(8)的下板面上设置有内设螺纹的中空支撑杆(6)和调节压杆(7)，中空支撑杆(6)下端开口并抵在平板热管(2)上，调节压杆(7)下端抵在加热电阻(5)上，螺纹连接件自上盖板(8)依次穿过中空支撑杆(6)和平板热管(2)，在底板(1)内完成测试装置支撑结构的紧固。
2.根据权利要求1所述的导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，所述上盖板(8)为多组，带有不同长度调节压杆(7)，通过更换带有不同长度调节压杆(7)的上盖板(8)，控制待测导热界面材料(3)的压缩程度。
3.根据权利要求1所述的导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括调节盖板(9)，所述调节盖板(9)的下板面上固定有调节压杆(7)；所述上盖板(8)对应加热电阻(5)的区域开设上下贯通的空域，调节盖板(9)覆盖在空域上，调节压杆(7)延伸至空域下方，对加热电阻(5)抵压固定。
4.根据权利要求3所述的导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，所述调节盖板(9)为多组，带有不同长度调节压杆(7)，通过更换调节盖板(9)，控制待测导热界面材料(3)的压缩程度。
5.根据权利要求1所述的导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，所述定位格栅(4)上加工多个格栅孔，以在平板热管上定位多个待测导热界面材料(3)，各待测导热界面材料(3)上方依次设置相应的加热电阻(5)和调节压杆(7)，实施多组待测导热界面材料(3)接触热阻的同时测量。
6.根据权利要求1所述的导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，所述平板热管(2)的最大热流密度100W，等温性小于1℃；
所述加热电阻(5)的电阻范围为50～100Ω。
7.根据权利要求1所述的导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，所述平板热管(2)和加热电阻(5)的温度通过温度传感器确定。
8.根据权利要求7所述的导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，所述温度传感器为工业级T型铜-康铜热电偶，测量温度范围为-200～300℃。
9.根据权利要求1所述的导热界面材料接触热阻的测试装置，其特征在于，所述待测导热界面材料(3)的压缩量通过平板热管(2)和加热电阻(5)之间的间隙确定。
10.一种导热界面材料接触热阻的测试方法，其特征在于，包括如下方法：
依次叠放底板(1)、平板热管(2)和定位格栅(4)，通过定位格栅(4)定位待测导热界面材料(3)在平板热管上的安放位置，待测导热界面材料(3)在平板热管上的安放位置确定后，定位格栅(4)自平板热管(2)上取出；
在待测导热界面材料(3)上压放加热电阻(5)并加盖带有调节压杆(7)的上盖板(8)，或者加盖上盖板(8)和带有调节压杆(7)的调节盖板(9)，通过螺纹连接件完成测试装置支撑结构的紧固，通过调节压杆(7)压紧热电阻(5)和待测导热界面材料(3)；
对加热电阻(5)通电，控制其功率确定通过待测导热界面材料(3)的热量Q，测量加热电阻(5)和平板热管(2)的温度获得接触界面的温差ΔT；接触热阻R＝ΔT/Q。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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