导热系数测试的试验方法研究

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1、导热系数测试的试验方法研究景莘慧严晓辉（东南大学机械工程学院look@seu.edu.cn）摘要：本文立足于电子设备的热设计与电磁兼容性设计之间的冲突与协同的研究，提出应对屏蔽材料及其他电磁兼容用特殊功能材料的电磁特性和热特性做出全面的评估。为了实现电子设备常用电磁屏蔽材料的热性能测试，文章介绍了常用介质材料的导热系数测试的几种方法，重点描述了稳态加热长条法的原理和实现过程，试验结果表明：该方法应用于长条状固体电磁屏蔽材料的导热系数测试是可行的，可为今后屏蔽材料的热性能测试提供参考。关键词：导热系数；稳态加热长条法；电磁兼容性设计；热设计1选题背景导热系数是表

2、征材料导热性能的一个重要参数，是热仿真建模时必须的参数，如何准确快速地获得工程材料的导热系数,对数值模拟的关系甚大。而在结构设计工程实践中，电子产品的热设计与仿真分析从来都不是孤立存在的，它和其他领域的设计分析存在着密切的联系。集成电路封装领域的热应力分析就是一个很好的例证。此外，对许多电子设备而言，其电磁兼容性能和散热性能往往是互为矛盾的。电子设备的热设计与电磁兼容性设计之间的冲突之一集中体现在设备的电磁屏蔽问题上。众所周知，不断提升的时钟信号频率使得电子设备所面临的电磁环境日益恶劣，屏蔽技术是解决电磁兼容问题的一个重要手段；而另一方面信息设备的体积日趋小型

3、化，导致功率密度也在不断增加，因此电子设备的热设计面临着愈来愈严峻的考验。屏蔽体在阻隔电磁能量的同时，也不可避免地成为阻碍冷却气流畅通的屏障。因此，很多时候满足电子设备电磁兼容的设计要求往往是以牺牲其热设计的指标为代价而实现的。目前广泛应用于军用和民用的电磁屏蔽材料种类繁多，它们的电磁屏蔽性能及其评价方法已受到越来越广泛的关注，但对电磁屏蔽材料的热特性数据甚不了解。而实际工程中，若要协调好产品的电磁兼容和散热之间的冲突，有必要对此类材料的电磁特性和热特性做出全面的评估。电子设备常用电磁屏蔽材料主要有以下几大类：衬垫材料：全金属丝网类、导电橡胶类、橡胶嵌定向金属

4、丝类、簧片类、泡棉类等。通风窗材料：波导、丝网、屏蔽玻璃、屏蔽布、聚酯膜等。这些材料的热特性有些是较为明确的，如铝制或钢制波导通风窗、全金属丝网等，但大多数的热特性与其成分和生产工艺密切相关，往往需要通过试验进行测定。本课题立足于电子设备的热设计与电磁兼容性设计之间的冲突与协同的研究，应用一种经济、方便的固体材料导热系数测定方法，对其可行性和精度进行试验验证，以期在后续的电磁屏蔽材料的热特性测试中加以应用。·261·2试验方法的选择与试验装置的准备[1]~[4]目前国内外关于导热系数的测量方法有很多，其中固体材料的导热系数的实验方法按其原理的不同，可分为稳态导

5、热过程和非稳态导热过程两大类。后者是利用试件的非稳态导热过程测算热扩散系数a，在已知物体密度ρ和比热C的前提下，再利用λ=αρ/(iC)计pp算出试件的导热系数λ。而前者是利用试件的稳态导热过程，直接测量导热系数，其原理简明，测试方法方便、直接。在这种方法中，按试件的形状不同，又可以分为无限大平板法，长圆柱法和球体法三种。前两种的优点是结构简单，易于建造；缺点是其热损不易控制，需要较多的辅助设施。后一种的优点是由于热量仅由内球向外沿径向传播，故其热损可以不予与考虑；其缺点是球体加工比较困难，而且其测量对象一般仅限于颗粒状材料。这对于常用的电磁屏蔽材料显然是不合

6、适的。考虑到测试的成本、复杂性、精度、测温范围及对电磁屏蔽材料的适用性，我们在实验[1]室现有条件的基础上选择稳态加热长条法（longbarwithsteadyheating）。该方法使用一个棒形或板形的试样，试样在一维中的长度要显著长于其他两维，在试样的两边要钻10个近似排成一条直线的孔，再用铜丝穿过这些孔，最后用环氧氧化铝粉填充这些孔。热电偶被放在沿着试样中心线钻的孔中。试样的上面和下面应放置隔热材料来阻止通过空气对流和辐射向周围环境损失的热量。整个测试装置放在一个近似真空的环境中。为了初步验证系统的准确性及整个方案的可行性，采用了导热系数已知的紫铜片作为

7、测试材料。我们将导热硅胶在铜片上涂抹形成一个涂层，将电热丝埋入涂层中，再涂一层硅胶，确保电热丝与铜片绝缘，也使电热丝与铜片有较好的热接触。实验采用交流稳压电源，测量期间功率波动不超过5％，供给热线的功率至少为30W，如果可能，最好采用恒定功率电源。本次实验所需要的真空环境由PVC-U管道做一个密封容器来实现。管道直径为φl10mm，接口方式为胶水粘接。在抽气方式的选择上，可以使用工业上用的真空发生器，或采用简单的手动注射器或者气泵，测试装置如图1所示。图1应用稳态加热长条法测试固体材料导热系数的原理示意图·262·3试验步骤（1）埋设热电偶在试样的长度方向上选

8、取两个测量点埋设热电偶，测量点的选取要