双热流计稳态法材料热导率测量方法技术

一种双热流计稳态法材料热导率测量方法，属于材料导热性能测试技术领域。本发明专利技术在分析多层平板壁一维热传导的基础上，提出采用双热流计和不同厚度样品进行热传导测量的方法，给出一维热传导的定量判据。采用热流计中多点测温，利用多层平板壁一维热传导公式计算获得平均热流密度，克服了热流密度测量不准确的困难，并利用不同厚度样品测试数据进行线形拟合计算得到材料的真实热导率和界面热阻。此外，本发明专利技术不仅可以测试固体材料的导热系数，而且可以测量薄膜材料的热导系数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料导热性能测试
，特别是涉及微电子塑封材料的热导 率测试。
技术介绍
材料的热传导行为在热能动力、冶金、化工、电子、建筑以及航空航天和生 物工程领域中都被广泛的关注，例如，在电子技术中的电子元器件和电子设备的 冷却、建筑工程中的釆暖通风、在化工工程中的温度控制等都需要知道材料的导 热性能，即需要测试材料的导热系数。目前材料导热性能测试方法有稳态法和瞬时法两种。具体根据不同的物理模 型又衍生出很多测试方法。稳态平板法是测量保温材料的导热系数的经典方法， 具有试样制作方便、原理清晰，可准确、直接地获得导热系数绝对值等优点，并 适于较宽温度范围，因而得到广泛的应用。然而经典稳态法存在测量时间长、热 流难于准确测试等问题，难以准确实现稳态过程。非稳态测量法是最近几十年内 开发出的导热系数测量方法，多用于研究高导热系数材料，或在高温条件下进行 测量。在瞬态法中，测量时样品的温度分布随时间变化， 一般通过测量这种温度 的变化来推算导热系数。动态法的特点是测量时间短、精确性高、对环境要求低， 但受测量方法的限制，多用于比热基本趋于常数的中、高温区导热系数的测量。中国专利93115076.0叙述了一种利用稳态法测试材料导热性能的实验装置， 该方法在测试样品侧面覆以已知面积和已知功率的加热盘作为热源，对加热盘进 行绝热处理以实现一维稳态热传导，样品另一侧面覆以受热盘，通过测量加热盘 和受热盘的温度，根据傅立叶热传导方程求得测试样品的热导率。该方法测试装 置简单，测试方便。但该方法以热源的全部已知功率作为测试样品接受热量，处 理方法过于粗略，没有考虑绝热材料的热损失。另外该方法未考虑加热盘和受热 盘与样品接触界面的热阻，这样又会使测得加热盘与受热盘之间的温度差变大。 中国专利86101542叙述了一种釆用双试样测量固体材料高温导热性能的方法，其 特点是位于双试样中间的主加热器和环状加热器作为热源，热流通过样品、均热 板、绝热层，最后通过水冷冷板散失，分别测量双试样上下表面的温度差，代入 傅立叶热传导方程计算求得材料的导热系数。该方法虽然采用水冷冷板强化热流 的一维传输，但仍然是釆用加热器的加热功率计量通过测试样品的热流量，没有 考虑样品侧面的热损失，同时也没有考虑加热器均热板与测试样品界面热阻。中国专利技术专利申请200310112520.3和200410015458.0分别叙述了采用新型氧 化铝/碳纳米管复合材料为绝热装置的测量材料导热性能的方法，它采用了热源、 第一热流计、待测样品、第二热流计、低温体按顺序排布并使其相互紧密贴合的 测试结构，即"三明治"型样品结构。该方法的核心是采用含有定向排布碳纳米 管的氧化铝复合材料作为绝热装置，提高了测试装置的绝热性能。通过位于样品 两侧的已知热导率的金属块计量通过测试样品的热流密度，并通过测量金属块内 不同位置的温度确定样品两侧的温度梯度，最后通过傅立叶公式计算获得待测材 料的热导率。然而，该方法在计算通过样品的热流密度时，假设测试装置已实现 一维稳态热传导，通过样品和位于样品上下表面的金属块的热流密度完全相等。 这样通过测量已知导热系数金属块中某一区段的温度梯度，利用傅立叶公式计算 获得通过样品的热流量。上述假设忽略了样品侧面的热流损失和样品与金属块之 间的接触热阻，由于铜的导热系数较大，在铜金属块内相邻位置测试的温度梯度 较小，因此所测得的通过样品的热流密度存在较大误差。另外，该方法中，热流 一维传导也缺乏定量判据，导热系数测试结果也为包含界面热阻在内的样品的有 效导热系数，并不是样品本身的导热系数
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有稳态法测试材料导热性能的不足，提供一种更加 准确的测量方法。一种，包括以下步骤(1) 、将热源、第一热流计、待测样品、第二热流计、低温体按顺序排布并使其相互紧密贴合；(2) 、利用隔热材料紧密贴合热源、低温体内侧，及第一热流计、待测样品、第二热流计四周，使热量按照步骤(1)的顺序传递；(3) 、在第一热流计、第二热流计分别设置3-6个温度感测点； 其特征在于该方法还包括以下步骤AT1(4) 、根据温度感测点测量数据，利用傅立叶公式Q= !义，力S^计算通过第一热流计的平均热流量g热流计,，通过第二热流计的平均热流量《热流计2 , 并计算通过第一热流计和第二热流计的总平均热流量g ，其中(5 )、当导热过程中流过第一热流计和第二热流计的热流量满足可按以下步骤进行材料热导率测量； (6 )、利用公式E^^ +平计算材料热导率，其中Ar为考虑界面层温度降在内的样品总温度降，AX为样品的厚度经测量已知，义true为待求的样品真实热导率，m为系统中界面层的个数已知，/z为界面层的热导； (7 )、步骤(6 )的公式中由于Ar 是Ax的函数，斜率和截距分别为m/Z ，因此利用同种材料不同厚度样品的热流测试作Ar/《与Ar的函数曲^10%这一条件时，则认为接近实现一维稳态热传导,线，根据A779与Ax的函数曲线的斜率和截距确定样品的Atrue和h,其中《通过步骤(4)计算，Ax经测量已知，m已知，AT通过多点测温温度线形拟 合获得。上述第一热流计和第二热流计量可釆用两个①30x40mm的304不锈钢金属 圆柱体，每个不锈钢圆柱在固定间隔10mm位置上设置四个温度测温点；测试 样品尺寸为直径为30mm、厚度为K5mm的不同厚度的圆片状样品；上述，特别适用于于测试热导范围为 1 10W/mK的固体材料的室温导热系数。尤其是微电子塑封材料，比如环氧模塑 材料。本专利技术在分析多层平板壁一维热传导的基础上，提出采用双热流计和不同厚 度样品进行热传导测量的方法，给出一维热传导的定量判据。釆用热流计中多点 测温，利用多层平板壁一维热传导公式计算获得平均热流密度，克服了热流密度 测量不准确的困难，并利用不同厚度样品测试数据进行线形拟合计算得到材料的 真实热导率和界面热导。此外，本专利技术不仅可以测试固体材料的导热系数，而且 可以测量薄膜材料的热导系数。附图说明图l双热流计稳态法导热测试结构示意图。图2具有两个界面时(m=2)穿过热流计和样品的温度梯度示意图。 图3实验装置示意图。图4石英坡璃测试样品A77g与Ax数据的关系曲线。图5热流通过热流计和不同厚度石英坡璃样品的温度梯度曲线。图6聚苯乙烯测试样品A77《与Ax数据的关系曲线。图7热流通过热流计和不同厚度聚苯乙烯样品的温度梯度曲线。图8 45钢测试样品A77g与Ax数据的关系曲线。 图9热流通过热流计和不同厚度45钢样品的温度梯度曲线。 图中标号名称1-第一热流计，2-测试样品，3-温度梯度曲线，4-第二热流 计，5-加热器，6-水冷盒，7-螺栓压紧装置，8-温度测试及数据采集。具体实施方式一、以下结合附图对本专利技术特别是涉及的计算公式推导作详细说明根据多层平板一维稳态导热的热流密度计算公式，选用双热流计和样品构成 "三明治"多层平板结构。控制热流传输方向实现多层平板的一维稳态热传导模 式，在每个热流计内等间距选取几个温度测量点(以下推导过程中假设选取4个)， 测量热流通过热流计的温度梯度，据此计量流过热流计的热流密度。双热流计结 构示意图如图l所示。在图l中，通过第一热流计和通过第二热流计的热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双热流计稳态法材料热导率测量方法，包括以下步骤：（１）、将热源、第一热流计、待测样品、第二热流计、低温体按顺序排布并使其相互紧密贴合；（２）、利用隔热材料紧密贴合热源、低温体内侧，及第一热流计、待测样品、第二热流计四周，使热量按照步骤（１）的顺序传递；（３）、在第一热流计、第二热流计分别设置３－６个温度感测点；其特征在于该方法还包括以下步骤：（４）、根据温度感测点测量数据，利用傅立叶公式Ｑ＝△Ｔ／△ｒλ，分别计算通过第一热流计的平均热流量ｑ↓［热流计１］，通过第二热流计的平均热流量ｑ↓［热流计２］，并计算通过第一热流计和第二热流计的总平均热流量ｑ，其中ｑ＝１／２（ｑ↓［热流计１］＋ｑ↓［热流计２］）；（５）、当导热过程中流过第一热流计和第二热流计的热流量满足｜ｑ↓［热流计１］－ｑ↓［热流计２］｜／ｑ≤１０％这一条件时，则认为接近实现一维稳态热传导，可按以下步骤进行材料热导率测量；（６）、利用公式△Ｔ／ｑ＝△ｘ／λ↓［ｔｒｕｅ］＋ｍ／ｈ计算材料热导率，其中△Ｔ为考虑界面层温度降在内的样品总温度降，△ｘ为样品的厚度经测量已知，λ↓［ｔｒｕｅ］为待求的样品真实热导率，ｍ为系统中界面层的个数已知，ｈ为界面层的热导；（７）、步骤（６）的公式中由于△Ｔ／ｑ是△ｘ的函数，斜率和截距分别为１／λ↓［ｔｒｕｅ］和ｍ／ｈ，因此利用同种材料不同厚度样品的热流测试作△Ｔ／ｑ与△ｘ的函数曲线，根据△Ｔ／ｑ与△ｘ的函数曲线的斜率和截距确定样品的λ↓［ｔｒｕｅ］和ｈ，其中ｑ通过步骤（４）计算，△ｘ经测量已知，ｍ已知，△Ｔ通过多点测温温度线形拟合获得。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：傅仁利，李克，鞠生宏，何洪，沈源，宋秀峰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]