Štandardná skúšobná metóda ASTM D5470-12 pre vlastnosti tepelnej vodivosti tepelne vodivých elektroizolačných materiálov

Norma „ASTM D5470-12 Štandardná skúšobná metóda pre tepelnú vodivosť elektroizolačných materiálov“ vyvinutá Americkou spoločnosťou pre testovanie a materiály (ASTM) opisuje skúšobnú metódu na meranie tepelnej impedancie a výpočet zdanlivej tepelnej vodivosti pre tepelne vodivé elektroizolačné materiály od kvapalných zlúčenín až po tuhé pevné materiály.

Termín tepelná vodivosť platí len pre homogénne materiály. Tepelne vodivé elektroizolačné materiály sú často heterogénne a aby sa predišlo nejasnostiam, táto testovacia metóda používa zdanlivú tepelnú vodivosť na určenie vlastností tepelnej vodivosti homogénnych aj heterogénnych materiálov.

Na účely tohto štandardu platia nasledujúce pojmy a definície:

Zdanlivá tepelná vodivosť vyjadruje časovú rýchlosť tepelného toku na jednotku teplotného gradientu v smere kolmom na plochu cez jednotku plochy heterogénneho materiálu za konštantných podmienok.
Priemerná teplota povrchu vyjadruje plošne váženú priemernú teplotu.
Kompozit je materiál zložený z rôznych častí, ktoré proporcionálne alebo synergicky prispievajú k vlastnostiam kombinácie.
Homogénny materiál je materiál, v ktorom relevantné vlastnosti nie sú funkciou umiestnenia v materiáli.
Tepelná impedancia je celkový odpor zariadenia (materiálu, materiálových rozhraní) voči tepelnému toku.
Tepelný odpor rozhrania (kontaktný odpor) je teplotný rozdiel potrebný na vytvorenie jednotky tepelného toku v kontaktných rovinách medzi horúcim a studeným povrchom a povrchmi vzorky, ktoré sú v kontakte so skúšanou vzorkou.
Tepelný odpor je prevrátená hodnota tepelnej vodivosti. Za ustálených podmienok je to teplotný gradient na jednotku tepelného toku kolmého na izotermický povrch.

Tu opísaná skúšobná metóda je založená na idealizovanom vedení tepla medzi dvoma rovnobežnými, izotermickými povrchmi oddelenými skúšobnou vzorkou s rovnomernou hrúbkou. Tepelný gradient, ktorý na vzorku pôsobí v dôsledku teplotného rozdielu medzi dvoma kontaktnými povrchmi, spôsobuje tok tepla cez vzorku. Tento tepelný tok je kolmý na testované povrchy a je homogénny naprieč povrchmi, bez bočného šírenia tepla.

Ak sa použijú dve meracie tyče, merania požadované touto normou sú:

T1: Vyššia teplota horúcej sondy
T2: Nižšia teplota horúcej sondy
T3: Vyššia teplota studenej sondy
T4: Nižšia teplota studenej sondy
A: Plocha testovaných povrchov
D: Hrúbka vzorky

Na základe idealizovanej testovacej konfigurácie sa vykonajú merania na výpočet nasledujúcich parametrov:

TH: Teplota horúcejšieho izotermického povrchu
TC: Teplota chladnejšieho izotermického povrchu
Q: Tepelný tok medzi dvoma izotermickými povrchmi
Tepelná impedancia: Teplotný rozdiel medzi dvoma izotermickými povrchmi delený tepelným tokom cez ne.
Zdanlivá tepelná vodivosť: Vypočítaná z grafu tepelnej impedancie vzorky v závislosti od hrúbky

Medzi vzorkou a testovanými povrchmi je tepelný odpor na rozhraní. Tieto kontaktné odpory sú zahrnuté vo výpočte tepelnej impedancie vzorky. Kontaktný odpor sa značne líši v závislosti od povahy povrchu vzorky a mechanického tlaku, ktorý na vzorku vyvíjajú testované povrchy. Preto by sa mal kompresný tlak aplikovaný na vzorku merať a zaznamenávať ako sekundárne meranie požadované pre túto metódu, s výnimkou kvapalných vzoriek, kde je aplikovaný tlak nevýznamný. Výpočet tepelnej impedancie pozostáva zo súčtu tepelného odporu vzorky a tepelného odporu rozhrania.

Výpočet zdanlivej tepelnej vodivosti vyžaduje presné určenie hrúbky testovanej vzorky. V závislosti od typu materiálu sa na kontrolu, monitorovanie a meranie hrúbky testovanej vzorky môžu použiť rôzne nástroje. Ak sa veľkosť vzorky počas skúšky môže zmeniť, hrúbku testovanej vzorky je možné regulovať klinmi alebo mechanickými zátkami. Ak sa veľkosť vzorky počas skúšky môže zmeniť, hrúbka skúšobnej vzorky sa môže počas skúšky monitorovať meraním hrúbky in situ. Hrúbka skúšobnej vzorky sa môže merať po vyrobení pri izbovej teplote v súlade s testovacou metódou C normy ASTM D374, ak vykazuje zanedbateľnú tlakovú deformáciu.

Táto norma meria tepelnú impedanciu elektroizolačných materiálov používaných na zlepšenie prenosu tepla v elektrických a elektronických aplikáciách v ustálenom stave. Táto norma je obzvlášť užitočná na meranie vlastností tepelnej vodivosti vzoriek, ktoré sú veľmi tenké alebo nemajú dostatočnú mechanickú stabilitu na to, aby bolo možné do vzorky umiestniť teplotné senzory, ako je uvedené v norme ASTM E1225.

Táto norma používa idealizovaný vzorec tepelného toku a špecifikuje priemernú teplotu vzorky pri skúške. Tepelné impedancie merané týmto spôsobom nie sú priamo použiteľné vo väčšine praktických aplikácií, kde nie sú prítomné tieto potrebné rovnomerné, paralelné podmienky vedenia tepla.

Táto norma je užitočná na meranie tepelnej impedancie nasledujúcich typov materiálov.

Typ I: Viskózne kvapaliny, ktoré vykazujú neobmedzenú deformáciu pri pôsobení napätia. Patria sem kvapalné zlúčeniny, ako sú tuky, pasty a materiály s fázovou zmenou. Tieto materiály nevykazujú elastické správanie ani tendenciu vrátiť sa do pôvodného tvaru po odstránení deformačných napätí.
Typ II: Viskoelastické pevné látky, v ktorých sú deformačné napätia v konečnom dôsledku vyvážené vnútornými materiálovými napätiami, čím sa obmedzuje ďalšia deformácia. Napríklad mäkké a tvrdé gumové materiály vykazujú lineárne elastické vlastnosti s výraznou odchýlkou vzhľadom na hrúbku materiálu.
Typ III: Elastické pevné látky, ktoré vykazujú zanedbateľnú deformáciu. Napríklad keramika, kovy a niektoré druhy plastov.

Zdanlivú tepelnú vodivosť vzorky možno vypočítať z nameranej tepelnej impedancie a nameranej hrúbky vzorky, ak je tepelný odpor rozhrania zanedbateľne malý (nominálne menej ako 1 percento) v porovnaní s tepelným odporom vzorky. Zdanlivú tepelnú vodivosť vzorky materiálu možno presne určiť vylúčením tepelného odporu rozhrania. Toto sa dosiahne meraním tepelnej impedancie rôznych hrúbok testovaného materiálu a vynesením tepelnej impedancie do grafu v závislosti od hrúbky. Inverznou hodnotou sklonu výslednej priamky je zdanlivá tepelná vodivosť. Prienik pri nulovej hrúbke je súčtom kontaktných odporov na oboch povrchoch. Kontaktný odpor je možné znížiť nanesením teplovodivej pasty alebo oleja na testované povrchy tvrdých testovaných vzoriek (typ III).

Naša organizácia, ktorá sa už roky snaží podporovať podniky zo všetkých sektorov širokou škálou testovacích, meracích, analytických a hodnotiacich štúdií, má silný personál, ktorý pozorne sleduje svetový vývoj v oblasti vedy a techniky a neustále sa zlepšuje. V tejto súvislosti sa podnikom poskytujú aj testovacie služby v súlade s normou „ASTM D5470-12 Štandardná testovacia metóda pre vlastnosti tepelnej vodivosti tepelne vodivých elektroizolačných materiálov“.