Método de teste padrão ASTM D5470-12 para propriedades de condução térmica de materiais isolantes elétricos termicamente condutores

O padrão “Método de teste padrão ASTM D5470-12 para propriedades de condutividade térmica de materiais isolantes elétricos termicamente condutores” desenvolvido pela Sociedade Americana de Testes e Materiais (ASTM) descreve um método de teste para medir impedância térmica e calcular a condutividade térmica aparente para materiais isolantes elétricos termicamente condutores, desde compostos líquidos até materiais sólidos rígidos.

O termo condutividade térmica é válido somente para materiais homogêneos. Materiais isolantes elétricos termicamente condutores são frequentemente heterogêneos e, para evitar confusão, este método de teste usa a condutividade térmica aparente para determinar as propriedades de condução térmica de materiais homogêneos e heterogêneos.

Para os fins desta norma, aplicam-se os seguintes termos e definições:

A condutividade térmica aparente expressa a taxa de fluxo de calor por gradiente de temperatura unitário na direção perpendicular à área através de uma área unitária de um material heterogêneo sob condições constantes.
A temperatura média de uma superfície expressa a temperatura média ponderada pela área.
Um compósito é um material composto de diferentes partes que contribuem proporcionalmente ou sinergicamente para as propriedades da combinação.
Um material homogêneo é um material no qual as propriedades relevantes não são uma função da localização dentro do material.
Impedância térmica é a resistência total de um dispositivo (material, interfaces de material) ao fluxo de calor.
A resistência da interface térmica (resistência de contato) é a diferença de temperatura necessária para produzir uma unidade de fluxo de calor nos planos de contato entre as superfícies quentes e frias e as superfícies da amostra em contato com a amostra testada.
A resistividade térmica é o recíproco da condutividade térmica. Em condições de estado estacionário, é o gradiente de temperatura por unidade de fluxo de calor perpendicular à superfície isotérmica.

O método de teste descrito aqui é baseado na condução de calor idealizada entre duas superfícies paralelas e isotérmicas separadas por um corpo de prova de espessura uniforme. O gradiente térmico imposto à amostra pela diferença de temperatura entre duas superfícies em contato causa fluxo de calor através da amostra. Esse fluxo de calor é perpendicular às superfícies de teste e é homogêneo em todas as superfícies, sem propagação lateral de calor.

Quando são utilizadas duas réguas de medição, as medidas exigidas por esta norma são:

T1: Temperatura mais alta da sonda quente
T2: Temperatura mais fria da sonda quente
T3: Temperatura mais quente da sonda fria
T4: Temperatura mais fria da sonda fria
A: Área das superfícies de teste
D: Espessura da amostra

Com base na configuração de teste idealizada, são feitas medições para calcular os seguintes parâmetros:

TH: Temperatura da superfície isotérmica mais quente
TC: Temperatura da superfície isotérmica mais fria
P: Taxa de fluxo de calor entre duas superfícies isotérmicas
Impedância térmica: Diferença de temperatura entre duas superfícies isotérmicas dividida pelo fluxo de calor através delas.
Condutividade térmica aparente: Calculada a partir do gráfico da impedância térmica da amostra em função da espessura

Há resistência térmica de interface entre a amostra e as superfícies de teste. Essas resistências de contato são incluídas no cálculo da impedância térmica da amostra. A resistência de contato varia muito dependendo da natureza da superfície da amostra e da pressão mecânica exercida sobre a amostra pelas superfícies de teste. Portanto, a pressão de compressão aplicada à amostra deve ser medida e registrada como uma medição secundária necessária para o método, exceto para amostras de fluidos onde a pressão aplicada é insignificante. O cálculo da impedância térmica consiste na soma da resistência térmica da amostra e da resistência térmica da interface.

O cálculo da condutividade térmica aparente requer uma determinação precisa da espessura da amostra que está sendo testada. Dependendo do tipo de material, diferentes ferramentas podem ser usadas para controlar, monitorar e medir a espessura da amostra de teste. Se o tamanho da amostra puder mudar durante o teste, a espessura da amostra testada pode ser controlada com cunhas ou batentes mecânicos. Se o tamanho da amostra puder mudar durante o teste, a espessura da amostra de teste pode ser monitorada durante o teste por meio de medição de espessura in situ. A espessura do corpo de prova pode ser medida conforme fabricado em temperatura ambiente, de acordo com o Método de Teste C da norma ASTM D374, se apresentar deflexão compressiva insignificante.

Esta norma mede a impedância térmica em estado estável de materiais isolantes elétricos usados para melhorar a transferência de calor em aplicações elétricas e eletrônicas. Esta norma é particularmente útil para medir as propriedades de condução térmica de amostras que são muito finas ou que não têm estabilidade mecânica suficiente para permitir que sensores de temperatura sejam colocados na amostra, como na norma ASTM E1225.

Esta norma aplica um padrão de fluxo de calor idealizado e especifica uma temperatura média de teste da amostra. As impedâncias térmicas medidas dessa maneira não são diretamente aplicáveis à maioria das aplicações práticas onde essas condições necessárias de condução de calor uniforme e paralela não estão presentes.

Esta norma é útil para medir a impedância térmica dos seguintes tipos de materiais.

Tipo I: Líquidos viscosos que apresentam deformação ilimitada quando uma tensão é aplicada. Isso inclui compostos líquidos, como graxas, pastas e materiais de mudança de fase. Esses materiais não apresentam comportamento elástico ou tendência a retornar à sua forma original após a remoção das tensões de deflexão.
Tipo II: Sólidos viscoelásticos nos quais as tensões de deformação são, em última análise, equilibradas pelas tensões internas do material, limitando assim a deformação adicional. Por exemplo, materiais de borracha macia e dura apresentam propriedades elásticas lineares com desvio significativo em relação à espessura do material.
Tipo III: Sólidos elásticos que apresentam deflexão desprezível. Por exemplo, cerâmicas, metais e alguns tipos de plásticos.

A condutividade térmica aparente de uma amostra pode ser calculada a partir da impedância térmica medida e da espessura da amostra medida se a resistência térmica da interface for insignificantemente pequena (nominalmente menor que 1%) em comparação à resistência térmica da amostra. A condutividade térmica aparente de um material de amostra pode ser determinada com precisão excluindo a resistência térmica da interface. Isso é feito medindo a impedância térmica de diferentes espessuras do material em teste e plotando a impedância térmica em relação à espessura. O inverso da inclinação da linha reta resultante é a condutividade térmica aparente. A intersecção na espessura zero é a soma das resistências de contato nas duas superfícies. A resistência de contato pode ser reduzida aplicando graxa térmica ou óleo nas superfícies de teste de espécimes de teste duros (Tipo III).

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