ASTM D5470-12 Standardowa metoda badania właściwości przewodzenia ciepła materiałów izolacyjnych przewodzących ciepło

Norma „ASTM D5470-12 Standardowa metoda badania przewodności cieplnej materiałów elektroizolacyjnych” opracowana przez Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ASTM) opisuje metodę badania służącą do pomiaru impedancji cieplnej i obliczania pozornej przewodności cieplnej dla materiałów elektroizolacyjnych przewodzących ciepło, od związków ciekłych po sztywne materiały stałe.

Termin przewodnictwo cieplne odnosi się wyłącznie do materiałów jednorodnych. Materiały elektroizolacyjne przewodzące ciepło są często niejednorodne. Aby uniknąć pomyłek, w tej metodzie badawczej wykorzystuje się pozorną przewodność cieplną w celu określenia właściwości przewodzenia ciepła zarówno materiałów jednorodnych, jak i niejednorodnych.

Na potrzeby niniejszego standardu mają zastosowanie następujące terminy i definicje:

• Pozorna przewodność cieplna wyraża szybkość przepływu ciepła na jednostkę gradientu temperatury w kierunku prostopadłym do powierzchni przez jednostkę powierzchni materiału niejednorodnego przy stałych warunkach.
• Średnia temperatura powierzchni wyraża średnią temperaturę ważoną powierzchniowo.
• Kompozyt to materiał składający się z różnych części, które proporcjonalnie lub synergicznie przyczyniają się do uzyskania odpowiednich właściwości połączenia.
• Materiał jednorodny to taki, w którym istotne właściwości nie zależą od miejsca w materiale.
• Impedancja cieplna to całkowity opór urządzenia (materiału, interfejsów materiałów) wobec przepływu ciepła.
• Rezystancja cieplna interfejsu (rezystancja styku) to różnica temperatur niezbędna do wytworzenia jednostki strumienia ciepła na płaszczyznach styku między powierzchniami gorącymi i zimnymi a powierzchniami próbki mającymi kontakt z badaną próbką.
• Opór cieplny jest odwrotnością przewodności cieplnej. W warunkach ustalonych jest to gradient temperatury na jednostkę przepływu ciepła prostopadły do ​​powierzchni izotermicznej.

Opisana tutaj metoda badawcza opiera się na idealnym przewodzeniu ciepła między dwiema równoległymi, izotermicznymi powierzchniami, oddzielonymi próbką badawczą o jednolitej grubości. Gradient cieplny narzucony próbce przez różnicę temperatur między dwiema stykającymi się powierzchniami powoduje przepływ ciepła przez próbkę. Przepływ ciepła jest prostopadły do ​​powierzchni testowych i jest jednorodny na całej powierzchni, bez bocznego rozprzestrzeniania się ciepła.

Jeżeli używane są dwa pręty pomiarowe, pomiary wymagane przez tę normę są następujące:

• T1: Wyższa temperatura gorącej sondy
• T2: Niższa temperatura gorącej sondy
• T3: Wyższa temperatura zimnej sondy
• T4: Niższa temperatura zimnej sondy
• A: Powierzchnia powierzchni testowych
• D: Grubość próbki

Na podstawie idealnej konfiguracji testowej przeprowadzane są pomiary mające na celu obliczenie następujących parametrów:

• TH: Temperatura cieplejszej powierzchni izotermicznej
• TC: Temperatura chłodniejszej powierzchni izotermicznej
• P: Przepływ ciepła pomiędzy dwiema powierzchniami izotermicznymi
• Impedancja cieplna: różnica temperatur między dwiema powierzchniami izotermicznymi podzielona przez przepływ ciepła przez nie.
• Pozorna przewodność cieplna: Obliczona z wykresu impedancji cieplnej próbki w zależności od grubości

Pomiędzy próbką i powierzchniami testowymi występuje rezystancja cieplna. Te rezystancje styków uwzględniane są w obliczeniach przykładowej impedancji cieplnej. Rezystancja styku zmienia się w znacznym stopniu w zależności od rodzaju powierzchni próbki i nacisku mechanicznego wywieranego na próbkę przez badane powierzchnie. W związku z tym ciśnienie sprężania przyłożone do próbki powinno być mierzone i rejestrowane jako pomiar wtórny wymagany w tej metodzie, z wyjątkiem próbek cieczy, w których przyłożone ciśnienie jest nieznaczne. Obliczenia impedancji cieplnej polegają na zsumowaniu oporu cieplnego próbki i oporu cieplnego interfejsu.

Obliczenie pozornego przewodnictwa cieplnego wymaga dokładnego określenia grubości badanej próbki. W zależności od rodzaju materiału do sterowania, monitorowania i pomiaru grubości próbki testowej można stosować różne narzędzia. Jeżeli w trakcie badania wielkość próbki może ulec zmianie, grubość badanej próbki można kontrolować za pomocą klinów lub ograniczników mechanicznych. Jeżeli wielkość próbki może ulec zmianie w trakcie badania, grubość próbki można monitorować podczas badania za pomocą pomiaru grubości in situ. Grubość próbki testowej można zmierzyć tak, jak została wyprodukowana w temperaturze pokojowej zgodnie z metodą badawczą C normy ASTM D374, jeżeli wykazuje ona nieznaczne ugięcie przy ściskaniu.

Norma ta określa ustaloną impedancję cieplną materiałów izolacyjnych stosowanych w celu zwiększenia wymiany ciepła w zastosowaniach elektrycznych i elektronicznych. Niniejsza norma jest szczególnie użyteczna przy pomiarze właściwości przewodzenia ciepła próbek, które są bardzo cienkie lub nie mają wystarczającej stabilności mechanicznej, aby umożliwić umieszczenie w próbce czujników temperatury, jak w normie ASTM E1225.

Norma ta stosuje wyidealizowany model przepływu ciepła i określa średnią temperaturę próbki testowej. Impedancje cieplne mierzone w ten sposób nie są bezpośrednio przydatne w większości praktycznych zastosowań, w których nie występują konieczne, jednorodne warunki równoległego przewodzenia ciepła.

Norma ta jest przydatna do pomiaru impedancji cieplnej następujących rodzajów materiałów.

• Typ I: Ciecze lepkie, które wykazują nieograniczone odkształcenia pod wpływem naprężenia. Należą do nich związki ciekłe, takie jak smary, pasty i materiały zmieniające fazę. Materiały te nie wykazują właściwości sprężystych ani tendencji do powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu naprężeń ugięcia.
• Typ II: Ciała stałe lepkosprężyste, w których naprężenia odkształceniowe są ostatecznie równoważone przez wewnętrzne naprężenia materiału, ograniczając w ten sposób dalsze odkształcenia. Na przykład miękkie i twarde materiały gumowe wykazują liniowe właściwości sprężyste ze znacznymi odchyleniami w zależności od grubości materiału.
• Typ III: Ciała stałe sprężyste, które wykazują pomijalne ugięcie. Na przykład ceramika, metale i niektóre rodzaje tworzyw sztucznych.

Widoczną przewodność cieplną próbki można obliczyć na podstawie zmierzonej impedancji cieplnej i zmierzonej grubości próbki, jeśli opór cieplny interfejsu jest pomijalnie mały (nominalnie mniejszy niż 1 procent) w porównaniu z oporem cieplnym próbki. Pozorną przewodność cieplną materiału próbki można dokładnie określić, wykluczając opór cieplny interfejsu. Osiąga się to poprzez pomiar impedancji cieplnej różnych grubości badanego materiału i wykreślenie impedancji cieplnej w zależności od grubości. Odwrotnością nachylenia powstałej linii prostej jest pozorna przewodność cieplna. Punkt przecięcia przy zerowej grubości jest sumą oporów stykowych na dwóch powierzchniach. Rezystancję styku można zmniejszyć, nakładając na powierzchnie testowe twardych próbek (typ III) smar termiczny lub olej.

Nasza organizacja, która od lat stara się wspierać przedsiębiorstwa z każdej branży, realizując szeroką gamę badań testowych, pomiarowych, analitycznych i ewaluacyjnych, dysponuje silną kadrą, która uważnie śledzi rozwój nauki i techniki na świecie oraz nieustannie się doskonali. W tym kontekście usługi testowe są również świadczone przedsiębiorstwom zgodnie z normą „ASTM D5470-12 Standardowa metoda testowania właściwości przewodzenia ciepła materiałów elektroizolacyjnych przewodzących ciepło”.