ASTM D5470-12 导热电绝缘材料导热性能的标准测试方法

美国材料与试验协会（ASTM）制定的标准《ASTM D5470-12导热电绝缘材料热导率性能的标准测试方法》描述了一种测量热阻抗和计算从液态化合物到刚性固体材料的导热电绝缘材料表观热导率的测试方法。

热导率这一术语仅适用于均质材料。导热电绝缘材料通常是非均质的，为了避免混淆，该测试方法使用表观热导率来确定均质和非均质材料的热传导性能。

就本标准而言，适用以下术语和定义：

• 表观热导率表示在一定条件下，通过非均匀材料单位面积上垂直于面积方向每单位温度梯度的热流的时间速率。
• 表面的平均温度表示面积加权平均温度。
• 复合材料是由不同部分组成的材料，这些部分按比例或协同作用来赋予组合的特性。
• 均质材料是一种其相关性质不随材料内部位置而变化的材料。
• 热阻抗是设备（材料、材料界面）对热流的总阻力。
• 热界面阻（接触阻）是指在被测样品接触的冷热表面及样品表面的接触平面上产生单位热通量所需的温差。
• 热阻率是热导率的倒数。在稳定状态下，它是垂直于等温表面的每单位热流的温度梯度。

这里描述的测试方法基于两个平行、等温表面之间理想的热传导，这两个表面由厚度均匀的测试样本隔开。两个接触表面之间的温差对样品施加的热梯度导致热流流过样品。该热流垂直于测试表面，并且在整个表面上均匀分布，没有横向热扩散。

当使用两根测量杆时，本标准要求的测量值为：

• T1：热探头的较高温度
• T2：热探头的较低温度
• T3：冷探头的较高温度
• T4：冷探头的较冷温度
• A：测试表面的面积
• D: 样品厚度

根据理想化的测试配置，进行测量以计算以下参数：

• TH：较热等温表面的温度
• TC：较冷等温表面的温度
• Q：两个等温表面之间的热流速率
• 热阻抗：两个等温表面之间的温差除以流经它们的热流量。
• 表观热导率：根据样品热阻抗与厚度的关系图计算得出

样品和测试表面之间存在界面热阻。这些接触电阻包含在样本热阻抗计算中。接触电阻随样品表面的性质以及测试表面对样品施加的机械压力而变化很大。因此，应测量施加于样品的压缩压力，并将其记录为该方法所需的二次测量，但施加压力不大的流体样品除外。热阻抗计算包括样品热阻和界面热阻之和。

计算表观热导率需要准确确定被测样品的厚度。根据材料类型，可以使用不同的工具来控制、监控和测量试样厚度。如果试验过程中样品的尺寸可能发生变化，可以用楔子或机械挡块来控制试验样品的厚度。如果试样尺寸在试验过程中可能发生变化，则可以通过现场厚度测量来监测试验过程中试样的厚度。如果试样的压缩挠度可忽略不计，则可以按照 ASTM D374 标准的测试方法 C 在室温下测量试样的厚度。

该标准测量用于增强电气和电子应用中的热传递的电绝缘材料的稳态热阻抗。该标准对于测量非常薄或没有足够机械稳定性以允许将温度传感器放置在样品中的样品的热传导特性特别有用，如 ASTM E1225 中所述。

该标准采用了理想化的热流模式并规定了平均样品测试温度。以这种方式测量的热阻抗不能直接适用于大多数实际应用，因为这些必要的均匀、平行的热传导条件并不存在。

该标准对于测量以下类型材料的热阻抗很有用。

• I 型：当施加应力时表现出无限变形的粘性液体。这些包括油脂、糊剂和相变材料等液体化合物。这些材料不会表现出弹性行为，也不会在挠度应力消除后恢复到其原始形状的趋势。
• II 型：粘弹性固体，其中变形应力最终由内部材料应力平衡，从而限制进一步变形。例如，软橡胶和硬橡胶材料均表现出线性弹性特性，并且材料厚度具有明显的偏差。
• 类型 III：挠度可忽略的弹性固体。例如陶瓷、金属和某些类型的塑料。

如果界面热阻与样品的热阻相比可以忽略不计（名义上小于 1%），则可以根据测量的热阻抗和测量的样品厚度计算出样品的表观热导率。通过排除界面热阻，可以准确确定样品材料的表观热导率。这是通过测量被测材料不同厚度的热阻并绘制热阻与厚度的关系图来实现的。所得直线斜率的倒数即为表观热导率。零厚度处的交点是两个表面的接触电阻之和。可以通过在硬质试样（III 型）的测试表面涂抹导热油脂或导热油来降低接触电阻。

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