【技术】常用导热系数测试标准简析

在照明行业，导热材料(如导热密封胶、导热灌封胶、导热硅脂等)应用比较普遍。导热系数是表征导热材料性能优劣最重要的参数之一，也是材料使用者最为关注的技术指标。目前国内外并没有统一的导热产品测试标准，材料制造商会标注各自的测试结果，但材料的导热系数使用不同的测试方法测量可能导致最后的结果差异较大。因此，本文主要为大家介绍导热系数测试标准中的一些常见测试方法以及使用的测试仪器。

根据材料特性的不同，材料制造商在进行导热系数测试时使用的标准主要是美国材料与试验协会的ASTM D5470、ASTM E1530、ASTM E1461和国际标准化组织的ISO22007-2这四种。

1. ASTM D5470

即通常所说的稳态热流法，测试原理是将厚度一定的样品置于两个平板间，对样品施加一定的热流量和压力，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，测试样品的厚度、热板/冷板间的温度梯度，然后根据不同厚度下对应的热流量数据作直线拟合得出样品的导热系数。

图1 ASTM D5470测试原理

ASTM D5470是薄型热导性固体电工绝缘材料传热性的试验方法，特别适合软性材料如导热膏和导热硅胶在模拟实际使用工况下的导热系数测试，以及各种热接触材料和接触热阻的测量。典型的测试设备为湘潭湘仪的DRL-III导热系数测试仪和台湾瑞领的LW-9389界面热传导系数与热阻测量装置。

图2 湘潭湘仪DRL-III和台湾瑞领LW9389

2. ASTM E1530

其测试原理几乎和普通的热流法导热仪相同，不同之处是在测量区域(热板/样品/冷板)外围增加保护加热器，加热到样品的平均温度，通过减少样品与周边之间的温差，以减少横向的热损耗，提高测量精度。

图4 ASTM E1530 测试原理

ASTM E1530是用护热式热流计技术评定材料抗热传输性的试验方法，理论上可以测量软性材料(膏状)和膜类材料，但由于试样厚度和试样上下两个表面温度的高精度测量存在较大的工程实现难度，因此很少用这种方法测量导热硅胶的导热系数，而且其测试导热硅胶得出的数据相对ASTM D5470和ASTM E1461要大很多。典型的测试设备为美国Unitherm Model 2022导热仪和德国耐驰HFM436导热仪。

图5 Unitherm Model 2202和耐驰HFM436

3. ASTM E1461

即通常所说的闪光法/激光法,其测试原理为使用高强度的能量脉冲对小而薄的试样进行短时间的辐照，用红外检测器测量样品表面的温度变化，实际测得的数据是样品的热扩散系数，还需要知道试样的比热和密度，才能通过计算得到导热系数，即λ(T) = α(T) * Cp(T) * ρ(T)。

图6 ASTM E1461测试原理

ASTM E1461是确定固体热扩散率的试验方法，其反映的是材料自身内部的热传导性，但没有考虑界面接触热阻的影响，只能准确地测量出固态材料的热扩散系数，不适用于测量导热硅脂这种膏状软性材料。典型的测试设备为德国耐驰氙灯导热仪器LFA 447和美国TA导热仪FL4010。

图7 耐驰LFA447

4.ISO22007-2

即瞬变平面热源法(TPS)，由热线法改进而来。将带有自加热功能的温度探头加载在样品中，测试时在探头上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升，然后测量探头本身和与探头相隔一定距离的圆球面上的温度随时间上升的关系，通过数学模型拟合同时得到样品的导热系数和热扩散系数。

该测试方法相对于稳态法具有测试范围广(基本模块0.005～500W/m·K)、精度高(±3%)、重复性好(±1%)、测量时间短(单次测量≤3min)和操作简便的特点;适用的样品形式多样，可测试固体，液体，胶体，粉末，带有孔隙的材料以及各向异性材料，也可对薄膜及涂层材料进行测试;使用额外的控温设备还能涵盖30K～1000℃的测试温度范围。由于测试受到接触热阻的影响较小，其测试结果更贴近于材料本身的导热系数。典型的测试设备为瑞典的Hotdisk热常数分析仪。

图8 TPS测试原理和Hotdisk热常数分析仪

结语：

导热系数是材料本身的参数，现今已经发展了大量的导热测试方法与系统。然而，没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域，对于特定的应用场合，也并非所有方法都能适用。应用的标准，温度，压力，样品的特性，仪器的使用环境等都会对导热系数的结果产生影响，材料的导热系数不能用不同测试方法测得的数据进行对比。要得到准确和有参考意义的测量值，必须选择合适的测试方法进行测量。