ASTM D5470-12 導熱電絕緣材料導熱性能的標準測試方法

美國材料與試驗協會（ASTM）制定的標準《ASTM D5470-12導熱電絕緣材料熱導率性能的標準測試方法》描述了一種測量熱阻抗和計算從液態化合物到剛性固體材料的導熱電絕緣材料表觀熱導率的測試方法。

熱導率這個術語僅適用於均質材料。導熱電絕緣材料通常是非均質的，為了避免混淆，此測試方法使用表觀熱導率來確定均質和非均質材料的熱傳導性能。

就本標準而言，適用以下術語和定義：

• 表觀熱導率表示在一定條​​件下，通過非均勻材料單位面積上垂直於面積方向每單位溫度梯度的熱流的時間速率。
• 表面的平均溫度表示面積加權平均溫度。
• 複合材料是由不同部分組成的材料，這些部分按比例或協同作用來賦予組合的特性。
• 均質材料是一種其相關性質不隨材料內部位置而變化的材料。
• 熱阻抗是設備（材料、材料界面）對熱流的總阻力。
• 熱界面阻（接觸阻）是指在被測樣品接觸的冷熱表面及樣品表面的接觸平面上產生單位熱通量所需的溫差。
• 熱阻率是熱導率的倒數。在穩定狀態下，它是垂直於等溫表面的每單位熱流的溫度梯度。

這裡描述的測試方法是基於兩個平行、等溫表面之間理想的熱傳導，這兩個表面由厚度均勻的測試樣本隔開。兩個接觸表面之間的溫差對樣品施加的熱梯度導致熱流流過樣品。此熱流垂直於測試表面，並且在整個表面上均勻分佈，沒有橫向熱擴散。

當使用兩根測量桿時，本標準要求的測量值為：

• T1：熱探頭的較高溫度
• T2：熱探頭的較低溫度
• T3：冷探頭的較高溫度
• T4：冷探頭的較冷溫度
• A：測試表面的面積
• D: 樣品厚度

根據理想化的測試配置，進行測量以計算以下參數：

• TH：較熱等溫表面的溫度
• TC：較冷等溫表面的溫度
• Q：兩個等溫表面之間的熱流速率
• 熱阻抗：兩個等溫表面之間的溫差除以流經它們的熱流量。
• 表觀熱導率：根據樣品熱阻抗與厚度的關係圖計算出

樣品和測試表面之間存在界面熱阻。這些接觸電阻包含在樣本熱阻抗計算中。接觸電阻隨樣品表面的性質以及測試表面對樣品施加的機械壓力而變化很大。因此，應測量施加於樣品的壓縮壓力，並將其記錄為該方法所需的二次測量，但施加壓力不大的流體樣品除外。熱阻抗計算包括樣品熱阻和界面熱阻之和。

計算表觀測熱導率需要準確地確定被測樣品的厚度。根據材料類型，可以使用不同的工具來控制、監控和測量試樣厚度。如果試驗過程中樣品的尺寸可能會變化，可以用楔子或機械擋塊來控制試驗樣品的厚度。如果試樣尺寸在試驗過程中可能發生變化，則可以透過現場厚度測量來監測試驗過程中試樣的厚度。如果試樣的壓縮撓度可忽略不計，則可以依照 ASTM D374 標準的測試方法 C 在室溫下測量試樣的厚度。

此標準測量用於增強電氣和電子應用中的熱傳遞的電絕緣材料的穩態熱阻抗。此標準對於測量非常薄或沒有足夠機械穩定性以允許將溫度感測器放置在樣品中的樣品的熱傳導特性特別有用，如 ASTM E1225 中所述。

該標準採用了理想化的熱流模式並規定了平均樣品測試溫度。以這種方式測量的熱阻抗不能直接適用於大多數實際應用，因為這些必要的均勻、平行的熱傳導條件並不存在。

此標準對於測量以下類型材料的熱阻抗很有用。

• I 型：當施加應力時表現出無限變形的黏性液體。這些包括油脂、糊劑和相變材料等液體化合物。這些材料不會表現出彈性行為，也不會在撓度應力消除後恢復到原始形狀的趨勢。
• II 型：黏彈性固體，其中變形應力最終由內部材料應力平衡，從而限制進一步變形。例如，軟橡膠和硬橡膠材料均表現出線性彈性特性，且材料厚度具有明顯的偏差。
• 類型 III：撓度可忽略的彈性固體。例如陶瓷、金屬和某些類型的塑膠。

如果界面熱阻與樣品的熱阻相比可以忽略不計（名義上小於 1%），則可以根據測量的熱阻抗和測量的樣品厚度計算樣品的表觀熱導率。透過排除界面熱阻，可以準確地確定樣品材料的表觀熱導率。這是透過測量被測材料不同厚度的熱阻並繪製熱阻與厚度的關係圖來實現的。所得直線斜率的倒數即為表觀熱導率。零厚度處的交點是兩個表面的接觸電阻總和。可以透過在硬質試樣（III 型）的測試表面塗抹導熱油脂或導熱油來降低接觸電阻。

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