近年來，電子產品等半導體行業發展勢頭良好，并顯示出小型化、集成化、功能化的生產趨勢。在小體積的前提下，如果要達到與之前相同的處理能力，內部處理部件的數量就要增加，產熱便會更多。為了及時將這些熱量導出，就需要采用導熱效果更好的導熱墊片。

導熱墊片

目前業界公認，將聚合物基體和多維填料復配，利用填料之間的聯結形成導熱網絡，使熱量能夠通過填料的晶格傳遞，從而提高整個體系的導熱系數，是提高熱墊片導熱性能的主要途徑之一。

熱傳導填料在聚合物基體中的分布

但制備后的導熱墊片導熱性能到底如何，是否適用，還需要進行專業評估才能知道答案，因此“熱導率測量”這對于選擇最合適的材料來滿足特定工程需求至關重要。而且通過測試熱導率，還可以幫助工程師優化設計，確保材料能夠有效地傳導熱量，提高系統的整體性能，因此是導熱復合材料研究、設計和應用中的一個關鍵步驟，對于確保材料在熱管理和傳熱領域的有效應用至關重要。

熱導率的測試方法分類

作用于導熱復合材料的溫度場可分為穩態的溫度場和非穩態的溫度場,根據溫度場的不同，測試的方法有有相應的分類。測試方法總體上主要分為兩類：穩定相方法和瞬時導熱方法。

1、穩態法

穩態相方法是指溫度隨樣本的變化而變化，一般與時間無關（除了小的隨機波動）。熱導率的確定是建立在對熱流密度及溫度梯度測量的基礎上的。穩態法的實際操作過程繁瑣，對測試環境要求高，測量范圍窄，對被測材料的形狀也有特殊的要求，主要包括保護熱板法、縱向熱流法、熱流量計法和圓管法。

①保護熱板法

保護熱板法常用來測試低熱導率的材料。保護熱板法的基本原理是在均勻板狀試樣上建立一維的熱流密度，已知試樣的溫度差及試樣的熱傳遞面積，根據傅里葉定律可計算出試樣的熱導率。防護熱板裝置有雙試件和單試件兩種形式。雙試件裝置中，加熱單元放置在兩個試件中間，加熱單元產生的熱流量分別經兩側的試件傳遞給兩側的冷卻單元。單試件裝置中，加熱單元一側與試件接觸傳遞熱流量至冷卻單元，另一側則用絕緣材料和背防護單元代替試件和冷卻單元。

保護熱板法導熱儀（來源：耐馳）及保護熱板法原理示意圖

②縱向熱流法

縱向熱流法依據的標準為 ASTMD 5470-06，適用于熱界面材料的熱導率與熱阻測試。相比于其他方法，縱向熱流法可以直接得出熱導率數值，不需進行額外計算，數據處理較為方便，且其冷熱兩端直接與測試材料接觸，相比閃光法，它的熱導率測試值與理論值誤差小很多，利于進行嚴謹研究。其測試原理為在材料熱端進行加熱，熱量通過測試材料傳導至冷端，測量冷熱兩端的溫差以計算出材料熱導率和熱阻。

③熱流量計法

熱流量計法的原理是存在于熱板和冷板的溫度及溫度梯度處于穩態狀態時，熱流計裝置測試流過試件的熱流密度。當已知標準試件的熱流量和熱阻（防護熱板法測試得到），通過測試和測量待測試件的熱阻和厚度，即可求出試件的熱導率。

熱流法導熱儀（來源：耐馳）及熱流量計法原理

④圓管法

圓管法測試是根據管狀試件一維徑向穩態導熱原理。該方法可以測試單層或者多層管狀結構的熱導率。

2、瞬態法

瞬時導熱方法通常用于測量熱擴散系數，通過記錄在樣品表面添加瞬態或周期性熱量后溫度隨時間的函數測量系數。熱擴散系數可以從試樣厚度和溫度上升到其最大值的百分比所需要的時間來計算。相比于穩態法，瞬態法的測試速度快，對環境的要求低，測試裝置簡單，測試范圍寬，對試樣的要求不高，主要包括激光閃射法、瞬時熱線法、瞬時平面輻射源法。

①激光閃射法

激光閃射法又稱閃光法，其具體步驟為：首先對小的薄圓片施加高強度短時間的能量脈沖，當樣品正面吸收能量后，樣品的背面溫度也會升髙，記錄樣品背面的溫度隨時間的變化規律后，通過記錄樣品背面的溫度達到最高溫度的某一百分比時所需要的時間，可以計算出樣品的熱擴散系數。利用不同的計算及修正模型（Cowan模型和In-Plane模型），閃光法可以用于測試薄膜平面方向和厚度方向的熱擴散系數。己知樣品的熱擴散系數，比熱及密度，閃光法可以得出樣品的熱導率。激光導熱儀就是利用這一方法測試材料熱導率的。

激光閃射法原理

②瞬時熱線法

瞬時熱線法的測試過程是：首先在均勻介質中插入一根熱線，然后在熱線中施加恒定的加熱功率，觀察熱線及熱線周圍介質中的溫度變化規律，再根據熱線的溫度變化規律以及輸入功率的大小計算出被測物體的熱導率。

③瞬時平面輻射源法

瞬時平面輻射源法測試熱導率的基本原理是在無限大平板試樣中施加圓盤形的熱源，用于加熱試件的圓盤形加熱電阻絲既可以作為熱源，又可以作為溫度傳感器。通過對加熱電阻絲施加階躍脈沖，觀察加熱電阻絲電阻的變化規律可以知道熱量的損失情況，從而可以推導得到樣品的熱導率。熱常數分析儀便是利用這一方法測試材料熱導率的。

結語

總的來說，熱導率的測量方式多種多樣。在選擇適用的方法時，不僅需要考慮測量的方法本身，還需綜合考慮其他因素。這些因素包括材料的物理性質，樣品加工成期望的幾何形狀和尺寸的難易程度，所需檢測的精確度和準確性，檢測周期的長短，以及安裝檢測設備所需的時間和資金等。綜合考慮這些因素，方能選出最適合的測量工藝。

資料來源：

李元哲. 磁性碳纖維在氧化鋁/硅橡膠導熱墊片中取向排列及導熱性能機制研究[D]. 上海:上海師范大學,2023.

粉體圈整理

本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。