導熱材料性能測試設備的製作方法

2023-09-21 19:13:25

專利名稱：導熱材料性能測試設備的製作方法
導熱材料性能測試設備技術領域：
本發明涉及導熱材料，特別是涉及一種可測量導熱材料在壓縮變形後的性能的導熱材料性能測試設備。背景技術：
隨著電子產品集成度的提高，產品的發熱量也越來越大，對導熱材料的需求也日益增加。導熱材料種類眾多，按形態區分主要分為片狀、膏狀和流體狀導熱材料。其中，片狀導熱材料因方便加工和使用而在實際中被廣泛應用。尤其是柔性片狀導熱材料，因具有良好的界面親和性和可壓縮性，而在電源、伺服電機、變壓器等產品領域中應用廣泛。目前， 對於片狀、膏狀導熱材料的性能測試，最通用的方法是穩態熱流法，該方法是通過測量導熱材料上下表面的溫差，然後根據傅立葉方程計算出導熱材料的熱阻和導熱係數。如圖1所示，在一定的壓力下，使發熱元件I及散熱元件2與待測導熱材料3接觸,發熱元件I與電源連接，接通電源後發熱元件I發熱，其產生的熱量通過待測導熱材料3到達散熱元件2，通過測量待測導熱材料3的上表面溫度及下表面溫度，從而根據以下公式計算得出該導熱材料3的熱阻值和導熱係數
熱阻值R= (Th-Tc) A/Q
導熱係數K=D/R
其中，Th為待測導熱材料3的熱端溫度，Tc為待測導熱材料3的冷端溫度，A為待測導熱材料3的面積(實驗前可測試出導熱材料3的面積)，Q為發熱元件I的發熱功率，D為待測導熱材料3的厚度(實驗前可測試出導熱材料3的原始厚度)。基於該方法測試導熱材料導熱性能的設備比較常見，一般情況下，其能滿足大部分導熱材料的性能模擬測試，但是現有的這種設備仍存在一定的局限性導熱材料在實際使用過程中會受壓力作用而產生一定的壓縮變形量(壓縮變形量用壓縮率來表徵，壓縮率的計算公式為P=(D0-D1)/D0*100%， 其中，P為導熱材料的壓縮率，DO為導熱材料的初始厚度，Dl為導熱材料壓縮後的厚度)，而現有的設備無法模擬待測導熱材料在壓縮變形後的實際導熱性能。因此，在不考慮產品厚度變化的情況下，現有的設備模擬測試而計算出的導熱係數和熱阻值與實際值存在一定的偏差，缺乏實際應用意義。
發明內容
本發明旨在解決上述問題，而提供一種可對片狀或膏狀的待測導熱材料施加壓力，從而可測量待測導熱材料在壓力作用下發生壓縮變形後的導熱性能，並可以此得出該導熱材料的壓縮率與壓力之間關係的導熱材料性能測試設備。
為解決上述問題，本發明提供了一種導熱材料性能測試設備，包括熱阻測試裝置， 其特徵在於，該裝置還包括向熱阻測試裝置施加壓力的壓力施加裝置，用於檢測施加壓力值的壓力測量裝置及用於測量導熱材料變形後的實際厚度值的厚度測量裝置，所述壓力施加裝置設於熱阻測試裝置上部，壓力測量裝置設於熱阻測試裝置內，厚度測量裝置設於熱阻測試裝置外側，且通過壓力施加裝置施加向下的壓力，使導熱材料被壓縮並變形而模擬實際使用狀態，並由壓力測量裝置和厚度測量裝置分別測量出所施加的壓力值和導熱材料變形後的實際厚度，同時由熱阻測試裝置測得導熱材料的上下表面的溫差。
所述壓力施加裝置包括活動板、固定橫梁、絲杆、導柱、支撐架、彈簧及底座，所述導柱固定於底座上，彈簧分別套設於導柱外，並與活動板連接，活動板活動套接於導柱上， 並可沿導柱上下移動，所述支撐架固定於底座上，所述固定橫梁固定於支撐架的頂端並位於活動板的上方，所述絲杆螺紋連接於固定橫梁中部，並頂著活動板。
所述熱阻測試裝置固定於底座上，其包括發熱體、上傳熱塊、上絕熱體、下傳熱塊、 下絕熱體、散熱片及用於測量導熱材料的上下表面溫差的溫差測量器，所述發熱體與外部電源連接，並與上傳熱塊接觸，所述發熱體與上傳熱塊置於上絕熱體內，所述下傳熱塊置於上傳熱塊與散熱片之間，所述下傳熱塊置於下絕熱體內，所述溫差測量器設於上傳熱塊與下傳熱塊之間。
所述上絕熱體與活動板固接，所述散熱片固定於底座上。
所述上傳熱塊底面與上絕熱體底面平齊，所述下絕熱體的上表面與下傳熱體的上表面平齊。
所述壓力測量裝置由壓力傳感器和顯示單元連接而成，所述壓力傳感器設於下傳熱塊和散熱片之間，所述顯示單元設於下絕熱體外部。
所述厚度測量裝置包括測厚計、支撐板及測試板，所述測厚計垂直固定於支撐板上，所述支撐板垂直固定於上絕熱體的外側壁上，所述測試板的上下位置與支撐板相對應， 其垂直固定於下絕熱體的外側壁上。
所述支撐板的底面與上絕熱體的底面相平齊，所述測試板的上表面與下絕熱體的上表面平齊。
所述測厚計為千分尺、遊標卡尺、電子尺中的一種。
所述壓力施加裝置的施加壓力範圍為O 250Psi，所述厚度測量裝置的導熱材料測量厚度範圍為O. 05 30mm。
本發明的有益貢獻在於，其解決了現有測試設備無法模擬測量導熱材料在壓力作用下發生壓縮變形後的實際導熱性能的問題。本發明的導熱材料性能測試設備通過設置壓力施加裝置對待測導熱材料施加壓力以模擬導熱材料在實際使用時的狀態，並設置壓力測量裝置以記錄施加的壓力值，從而計算得出該導熱材料在壓縮變形時的導熱係數和熱阻值。此外，本發明的導熱材料性能測試設備測量出的多組壓力值和厚度值可用於得出該導熱材料的熱阻值、壓力、壓縮率三者之間關係。

圖1是現有設備測試原理圖。
圖2是本發明的結構示意圖。
具體實施方式
下列實施例是對本發明的進一步解釋和補充，對本發明不構成任何限制。
本發明的導熱材料性能測試設備適用於各種片狀或膏狀導熱材料的性能測試。
如圖2所示，本發明的導熱材料性能測試設備包括熱阻測試裝置10、壓力施加裝置20、壓力測量裝置30及厚度測量裝置40，其中，所述熱阻測試裝置10是基於穩態熱流法的原理用來檢測待測導熱材料50上下表面的溫度差，所述壓力施加裝置20用於給熱阻測試裝置10施加壓力以使待測導熱材料50壓縮變形，所述壓力測量裝置30用於檢測壓力施加裝置20施加於待測導熱材料50上的壓力，所述厚度測量裝置40用於檢測待測導熱材料 50在壓力作用下發生壓縮變形後的厚度。
具體地說，如圖2所示，所述壓力施加裝置20由活動板21、固定橫梁22、絲杆23、 導柱24、支撐架25、彈簧26及底座27固定連接而成。所述底座27為矩形板狀體，用於承載熱阻測試裝置10及固定導柱24和支撐架25。本實施例中，所述導柱24設有4根，其分別垂直固定於底座27的4個轉角處邊緣，每根導柱24外分別套設有I個彈簧26。所述活動板21為矩形板狀體，其四個轉角處分別設有I個通孔，用於插入所述導柱24。所述活動板21的的底部分別與所述4個彈簧26固接，使得活動板21可沿導柱24上下移動。所述支撐架25垂直固定於底座27上，用於支撐固定橫梁22。所述固定橫梁22固定於支撐架 25的頂部，並位於活動板21的正上方。所述絲杆23固定於固定橫梁22的中央，其移動方向與活動板21的移動方向一致，其底部抵壓在活動板21的上表面，當旋轉絲杆23使絲杆 23向下移動時，可帶動活動板21向下移動從而給熱阻測試裝置10施加壓力。
如圖2所示，所述熱阻測試裝置10包括發熱體11、上傳熱塊12、上絕熱體13、下傳熱塊14、下絕熱體15、散熱片16及溫差測量器。所述發熱體11與外部電源連接，通電時可發熱用於模擬熱源。所述發熱體11的下表面與上傳熱塊12的上表面接觸，用於傳遞熱量。 本實施例中，為進一步加塊熱傳遞並減少發熱體11與上傳熱塊12之間的熱量損耗，在發熱體11與上傳熱塊12之間的接觸面上塗覆有導熱矽脂。所述發熱體11與上傳熱塊12設於上絕熱體13內，通過上絕熱體13來防止熱量損失。所述上傳熱塊12的下表面與上絕熱體 13的下表面平齊。所述下傳熱塊14設於下絕熱體15內，用於防止熱量損失。所示下傳熱塊14與上傳熱塊12的上下位置相對,且該下傳熱塊14的上表面與下絕熱體15的上表面平齊，下傳熱塊14的下表面與散熱片16接觸。所述散熱片16為翅片式散熱片,其固定於壓力施加裝置20的底座27上。所述溫差測量器用於測量待測導熱材料50上下表面的溫度差值，其探測點分別位於待測導熱材料50的上下表面。本實施例中，所述上絕熱體13及下絕熱體15由高分子聚合物材料，例如環氧樹脂、聚四氟乙烯、聚氨酯泡棉等材料製作而成。 所述上絕熱體13的頂部與活動板21固定連接，當活動板21向下移動時,帶動上絕熱體13 向下移動，從而給放置在下傳熱塊14上的待測導熱材料50施加一定的壓力。當發熱體11 接通電源時，發熱體11散發的熱量依次通過上傳熱塊12、待測導熱材料50、下傳熱塊14而傳遞至散熱片16。
如圖2所示，所述壓力測量裝置30由壓力傳感器和顯示單元連接而成，所述壓力傳感器設於下傳熱塊14和散熱片16之間，用於感應壓力施加裝置20施加於待測導熱材料 50上的壓力，所述壓力傳感器與顯示單元連接，通過顯示單元實時顯示壓力值。所述顯示單元可為公知的數顯表或其他任何可顯示壓力傳感器壓力值的數顯裝置，其可設置於下絕熱體15外部或其它方便觀察的位置。
如圖2所示，所述測厚裝置包括測厚計41、支撐板42及測試板43，所述測厚計41 可以是公知的自動或手動測距工具，例如千分尺、遊標卡尺、電子尺等。該測厚計41垂直固定於支撐板42上，所述支撐板42垂直固定於上絕熱體13的外側壁上，且該支撐板42的下表面與上絕熱體13的下表面平齊。所述測試板43的上下位置與支撐板42的相對，其垂直固定於下絕熱體15的外側壁上,且該測試板43的上表面與下絕熱體15的上表面平齊。
本發明的導熱材料性能測試設備在測試導熱材料50在固定壓力下的導熱性能時，將待測導熱材料50平置於下傳熱塊14上，然後向下旋動絲杆23，帶動活動板21沿著導柱24向下移動，從而使上傳熱塊12與導熱材料50接觸，當壓力測量裝置30的顯示單元顯示壓力值達到目標值時，通過測厚裝置記錄下此時導熱材料50的厚度值，然後接通發熱體 11的電源，觀察溫差測量器的溫差值，待穩定後記錄下數值，最後根據公式R=(Th-Tc) A/Q、 K=D/R、)及公式P= (DO-Dl)/D0*100%即可推算該待測導熱材料50在該壓力作用下壓縮變形時的實際熱阻值與導熱係數，即導熱材料50在不同壓力或壓縮率下的實際熱阻值與導熱係數。
此外，還可以通過同樣的方法利用本發明的導熱材料性能測試設備多次測量記錄下不同壓力時導熱材料50的厚度值，並計算出其相應狀態下的熱阻值和導熱係數，然後利用曲線擬合方法(一種公知的數據處理方法)進行計算，即可得出導熱材料50的熱阻值、壓縮率、壓力這三者之間的關係。
本發明的導熱材料性能測試設備可對待測導熱材料施加的壓力為O 250Psi，可測量的厚度為O. 05 30mm，該測試設備可用於測試各種片狀或膏狀的導熱材料，例如導熱墊片，導熱相變膜，導熱膠，導熱矽脂。本實施例中，以厚度為3mm的低硬度導熱墊片進行了試驗，分別測試了該低硬度導熱墊片在10PSi、20PSi、30PS1...1OOPSi壓力下的熱阻和導熱係數，其數據如表I所示。同時，還分別測試了該低硬度導熱墊片在10%、20%、30%···80%壓縮率下的熱阻和導熱係數，其數據如表2所示。作為對比例，利用現有測試設備測量該低硬度導熱墊片得出的熱阻值為O. 87V · in2/W，導熱係數為5. 13ff/m · K，且測試設備所用發熱體的功率一致。
表I
權利要求
1.一種導熱材料性能測試設備，包括熱阻測試裝置(10)，其特徵在於，該裝置還包括向熱阻測試裝置(10)施加壓カ的壓カ施加裝置(20)，用於檢測施加壓カ值的壓カ測量裝置(30)及用於測量導熱材料(50)變形後的實際厚度值的厚度測量裝置(40)，所述壓カ施加裝置(20)設於熱阻測試裝置(10)上部，壓カ測量裝置(30)設於熱阻測試裝置(10)內，厚度測量裝置(40)設於熱阻測試裝置(10)外側，且 通過壓カ施加裝置(20)施加向下的壓力，使導熱材料(50)被壓縮並變形而模擬實際使用狀態，並由壓カ測量裝置(30)和厚度測量裝置(40)分別測量出所施加的壓カ值和導熱材料(50)變形後的實際厚度，同時由熱阻測試裝置(10)測得導熱材料(50)的上下表面的溫差。
2.如權利要求I所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述壓カ施加裝置(20)包括活動板(21)、固定橫梁(22)、絲杆(23)、導柱(24)、支撐架(25)、彈簧(26)及底座(27)，所述導柱(24)固定於底座(27)上，彈簧(26)分別套設於導柱(24)タト，並與活動板(21)連接，活動板(21)活動套接於導柱(24)上，並可沿導柱(24)上下移動，所述支撐架(25)固定於底座(27)上,所述固定橫梁(22)固定於支撐架(25)的頂端並位於活動板(21)的上方，所述絲杆(23)螺紋連接於固定橫梁(22)中部，並頂著活動板(21)。
3.如權利要求2所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述熱阻測試裝置(10)固定於底座(27)上，其包括發熱體(11)、上傳熱塊(12)、上絕熱體(13)、下傳熱塊(14)、下絕熱體(15)、散熱片(16)及用於測量導熱材料(50)的上下表面溫差的溫差測量器，所述發熱體(11)與外部電源連接，並與上傳熱塊(12)接觸，所述發熱體(11)與上傳熱塊(12)置於上絕熱體(13)內，所述下傳熱塊(14)置於上傳熱塊(12)與散熱片(16)之間，所述下傳熱塊(14)置於下絕熱體(15)內，所述溫差測量器設於上傳熱塊(12)與下傳熱塊(14)之間。
4.如權利要求3所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述上絕熱體(13)與活動板(21)固接，所述散熱片(16)固定於底座(27)上。
5.如權利要求3所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述上傳熱塊(12)底面與上絕熱體(13)底面平齊，所述下絕熱體(15)的上表面與下傳熱體的上表面平齊。
6.如權利要求3所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述壓カ測量裝置(30)由壓カ傳感器和顯示單元連接而成，所述壓カ傳感器設於下傳熱塊(14)和散熱片(16)之間，所述顯示単元設於下絕熱體(15)外部。
7.如權利要求3所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述厚度測量裝置(40)包括測厚計(41)、支撐板(42)及測試板(43)，所述測厚計(41)垂直固定於支撐板(42)上，所述支撐板(42)垂直固定於上絕熱體(13)的外側壁上，所述測試板(43)的上下位置與支撐板(42)相對應，其垂直固定於下絕熱體(15)的外側壁上。
8.如權利要求7所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述支撐板(42)的底面與上絕熱體(13)的底面相平齊，所述測試板(43)的上表面與下絕熱體(15)的上表面平齊。
9.如權利要求7所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述測厚計(41)為千分尺、遊標卡尺、電子尺中的ー種。
10.如權利要求I所述的導熱材料性能測試設備，其特徵在於，所述壓カ施加裝置(20)的施加壓カ範圍為O 250Psi，所述厚度測量裝置(40)的導熱材料(50)測量厚度範圍為·O. 05 30mm。
全文摘要
一種導熱材料性能測試設備，包括熱阻測試裝置，其特徵在於，該裝置還包括向熱阻測試裝置施加壓力的壓力施加裝置，用於檢測施加壓力值的壓力測量裝置及用於測量導熱材料變形後的實際厚度值的厚度測量裝置，所述壓力施加裝置設於熱阻測試裝置上部，壓力測量裝置設於熱阻測試裝置內，厚度測量裝置設於熱阻測試裝置外側，通過壓力施加裝置施加向下的壓力，使導熱材料被壓縮並變形而模擬實際使用狀態，並由壓力測量裝置和厚度測量裝置分別測量出所施加的壓力值和導熱材料變形後的實際厚度，同時由熱阻測試裝置測得導熱材料的上下表面的溫差，從而計算得出該導熱材料在壓縮變形時的導熱係數和熱阻值，具有實際使用意義。
文檔編號G01N25/20GK102980910SQ201210504979
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者彭建軍, 王勇, 祝淵, 陳克新 申請人:深圳市博恩實業有限公司