ASTM D5470-12 Standardprüfverfahren für Wärmeleiteigenschaften von wärmeleitenden elektrischen Isoliermaterialien

Der von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelte Standard „ASTM D5470-12 Standardtestverfahren für Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von wärmeleitenden elektrischen Isoliermaterialien“ beschreibt ein Testverfahren zum Messen der Wärmeimpedanz und Berechnen der scheinbaren Wärmeleitfähigkeit für wärmeleitende elektrische Isoliermaterialien, von flüssigen Verbindungen bis hin zu starren Feststoffen.

Der Begriff Wärmeleitfähigkeit gilt nur für homogene Materialien. Thermisch leitfähige elektrische Isoliermaterialien sind häufig heterogen. Um Verwirrung zu vermeiden, wird bei dieser Testmethode die scheinbare Wärmeleitfähigkeit verwendet, um die Wärmeleiteigenschaften sowohl homogener als auch heterogener Materialien zu bestimmen.

Für die Zwecke dieser Norm gelten die folgenden Begriffe und Definitionen:

• Die scheinbare Wärmeleitfähigkeit drückt die zeitliche Geschwindigkeit des Wärmeflusses pro Einheit des Temperaturgradienten in der Richtung senkrecht zur Fläche durch eine Flächeneinheit eines heterogenen Materials unter konstanten Bedingungen aus.
• Die Durchschnittstemperatur einer Oberfläche drückt die flächengewichtete Durchschnittstemperatur aus.
• Ein Verbundwerkstoff ist ein Material, das aus verschiedenen Teilen besteht, die proportional oder synergetisch zu den Eigenschaften der Kombination beitragen.
• Ein homogenes Material ist ein Material, bei dem die relevanten Eigenschaften nicht von der Position innerhalb des Materials abhängen.
• Die thermische Impedanz ist der Gesamtwiderstand eines Geräts (Material, Materialschnittstellen) gegenüber Wärmefluss.
• Der thermische Grenzflächenwiderstand (Kontaktwiderstand) ist die Temperaturdifferenz, die erforderlich ist, um eine Wärmestromeinheit an den Kontaktflächen zwischen den heißen und kalten Oberflächen und den Probenoberflächen zu erzeugen, die mit der getesteten Probe in Kontakt stehen.
• Der Wärmewiderstand ist der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit. Unter stationären Bedingungen ist es der Temperaturgradient pro Wärmestromeinheit senkrecht zur isothermischen Oberfläche.

Das hier beschriebene Prüfverfahren basiert auf einer idealisierten Wärmeleitung zwischen zwei parallelen, isothermen Flächen, die durch einen Prüfkörper gleichmäßiger Dicke getrennt sind. Der durch den Temperaturunterschied zwischen zwei Kontaktflächen auf die Probe ausgeübte Wärmegradient verursacht einen Wärmefluss durch die Probe. Dieser Wärmefluss verläuft senkrecht zu den Testoberflächen und ist über die Oberflächen hinweg homogen, ohne seitliche Wärmeausbreitung.

Bei Verwendung von zwei Messstäben sind die in dieser Norm geforderten Maße:

• T1: Höhere Temperatur der heißen Sonde
• T2: Kältere Temperatur der heißen Sonde
• T3: Höhere Temperatur der kalten Sonde
• T4: Kältere Temperatur der kalten Sonde
• A: Fläche der Prüfflächen
• D: Probendicke

Basierend auf der idealisierten Testkonfiguration werden Messungen durchgeführt, um die folgenden Parameter zu berechnen:

• TH: Temperatur der heißeren isothermen Oberfläche
• TC: Temperatur der kälteren isothermen Oberfläche
• Q: Wärmestromrate zwischen zwei isothermen Oberflächen
• Thermische Impedanz: Die Temperaturdifferenz zwischen zwei isothermen Oberflächen geteilt durch den Wärmefluss durch sie.
• Scheinbare Wärmeleitfähigkeit: Berechnet aus dem Diagramm der thermischen Impedanz der Probe im Vergleich zur Dicke

Zwischen der Probe und den Testoberflächen besteht ein thermischer Grenzflächenwiderstand. Diese Kontaktwiderstände werden in die Berechnung der thermischen Impedanz des Beispiels einbezogen. Der Kontaktwiderstand variiert stark und hängt von der Beschaffenheit der Probenoberfläche und dem mechanischen Druck ab, der von den Testoberflächen auf die Probe ausgeübt wird. Daher sollte der auf die Probe ausgeübte Kompressionsdruck gemessen und als für die Methode erforderlicher Sekundärmesswert aufgezeichnet werden, mit Ausnahme von Flüssigkeitsproben, bei denen der ausgeübte Druck unbedeutend ist. Die Berechnung der thermischen Impedanz besteht aus der Summe des Wärmewiderstands der Probe und des Wärmewiderstands der Schnittstelle.

Die Berechnung der scheinbaren Wärmeleitfähigkeit erfordert eine genaue Bestimmung der Dicke der zu prüfenden Probe. Je nach Materialtyp können unterschiedliche Werkzeuge zum Steuern, Überwachen und Messen der Dicke der Prüflinge verwendet werden. Wenn sich die Größe der Probe während des Tests ändern kann, kann die Dicke der getesteten Probe mit Keilen oder mechanischen Stoppern kontrolliert werden. Wenn sich die Größe der Probe während des Tests ändern kann, kann die Dicke der Probe während des Tests durch eine Dickenmessung vor Ort überwacht werden. Die Dicke der Testprobe kann bei Raumtemperatur gemäß Testmethode C der Norm ASTM D374 gemessen werden, wenn sie eine vernachlässigbare Druckverformung aufweist.

Diese Norm misst die stationäre thermische Impedanz von elektrischen Isoliermaterialien, die zur Verbesserung der Wärmeübertragung in elektrischen und elektronischen Anwendungen verwendet werden. Dieser Standard ist besonders nützlich zum Messen der Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von Proben, die sehr dünn sind oder keine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen, um das Platzieren von Temperatursensoren in der Probe wie in ASTM E1225 zu ermöglichen.

Diese Norm wendet ein idealisiertes Wärmeflussmuster an und gibt eine durchschnittliche Probentesttemperatur an. Auf diese Weise gemessene thermische Impedanzen sind auf die meisten praktischen Anwendungen, bei denen diese notwendigen gleichmäßigen, parallelen Wärmeleitungsbedingungen nicht gegeben sind, nicht direkt anwendbar.

Dieser Standard ist nützlich zum Messen der thermischen Impedanz der folgenden Materialtypen.

• Typ I: Viskose Flüssigkeiten, die bei Belastung eine unbegrenzte Verformung aufweisen. Hierzu zählen flüssige Verbindungen wie Fette, Pasten und Phasenwechselmaterialien. Diese Materialien weisen kein elastisches Verhalten auf und neigen nicht dazu, nach dem Entfernen der Biegespannungen in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren.
• Typ II: Viskoelastische Festkörper, bei denen die Deformationsspannungen letztlich durch innere Materialspannungen ausgeglichen werden, wodurch weitere Deformationen begrenzt werden. Beispielsweise weisen weiche und harte Gummimaterialien lineare elastische Eigenschaften mit erheblichen Abweichungen in Bezug auf die Materialdicke auf.
• Typ III: Elastische Festkörper, die eine vernachlässigbare Auslenkung aufweisen. Zum Beispiel Keramik, Metalle und einige Arten von Kunststoffen.

Die scheinbare Wärmeleitfähigkeit einer Probe kann aus der gemessenen thermischen Impedanz und der gemessenen Probendicke berechnet werden, wenn der thermische Grenzflächenwiderstand im Vergleich zum thermischen Widerstand der Probe vernachlässigbar klein ist (nominell weniger als 1 Prozent). Die scheinbare Wärmeleitfähigkeit eines Probenmaterials kann durch Ausschluss des thermischen Grenzflächenwiderstands genau bestimmt werden. Dies wird erreicht, indem die thermische Impedanz unterschiedlicher Dicken des zu prüfenden Materials gemessen und die thermische Impedanz gegenüber der Dicke aufgetragen wird. Der Kehrwert der Steigung der resultierenden Geraden ist die scheinbare Wärmeleitfähigkeit. Der Schnittpunkt bei der Dicke Null ist die Summe der Kontaktwiderstände an den beiden Oberflächen. Bei harten Prüflingen (Typ III) kann der Kontaktwiderstand durch Auftragen von Wärmeleitpaste oder Öl auf die Prüfflächen reduziert werden.

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