[发明专利]一种基于稳态法的导热系数测量装置

说明书

技术领域

本发明属于材料的物理性能测试技术领域，具体涉及一种包括采用微通道冷却和温度补偿在内的稳态法(比较法)测量材料导热系数的测量装置。

背景技术：

导热系数在电子等行业有着广泛应用，是工程热设计中必不可少的基础数据，任何电子器件及电路在工作过程中都不可避免地伴随有热量的产生。随着微电子器件封装密度的提高，芯片能耗越来越高，为了增强器件的散热能力，提高电子产品的可靠性及电性能，必须使所产生的热量能够快速有效的释放出去，散热器和热界面材料应具有较高的导热系数来满足元器件的散热需要，因此准确地测量材料导热系数是传热领域研究的重要课题。

导热系数的测量方法可分为瞬态法和稳态法(比较法)。稳态法是测量材料导热系数的常用方法,基于一维传热原理，在试样上的温度达到稳定后，通过测量流经试样的热通量和两端温度梯度等参数来确定热导率的方法。根据傅里叶稳态传热定律，热导率计算公式为其中，λ为待测试样的热导率，Q为流过待测试样的热通量，A为试样的截面面积，△T为试样两端的温度差，h为待测试样的厚度。

现有导热系数测量装置，冷端散热效果不佳、热流损失大，适用性不强，测量精度低。如申请号为201210073812.X，名称为《一种棒体材料导热系数测量装置及测量方法》的专利文件公开了一种棒体材料导热系数测量装置及测量方法，包括：主加热器、标准试件、隔热层、制冷器、辅助加热器、温度采集模块和控制模块。该测量装置通过直接设在待测棒体材料顶端的主加热器和加热垫片对待测棒体及标准试件进行加热，在待测棒体侧面的隔热层中设置带辅助加热器的热保护垫片并对其进行温度控制，同时在标准试件冷端使用半导体制冷片，通过控制可控硅调功模块来调节主加热器和热保护加热器的功率，并通过测温模块将各测温点的温度值采集并传给监测模块，最后通过监测模块根据主加热器额定功率与环境温度以及各测温点的温度计算得到待测棒体材料的导热系数。该测量装置由于在待测棒体材料与主加热器之间未设标准试样，其顶端与主加热器直接接触、底端与待测试件等截面接触，因而只能对与标准试样长度相当且导热系数相差不大于1个数量级的棒体材料进行测量，且只适合测量导热系数较高的材料；当待测试件导热系数较低时，既不能保证热量沿轴向传递、又因待测试样导热系数很低就使得试件上布置的两个热电偶的温度差值很大，影响测量精度。此外，主加热器设于装置顶部、制冷器设于装置底部有违热力学原理，不利于热量沿试件轴向向下传递；在待测棒体材料上、下端面上缺少轴向压力，当热流流经试件的两接触界面时存在热流损失，亦影响测量的精度。该测量装置在热保护温度为58.3℃时，测得不锈钢1Cr18Ni9Ti的导热系数为16.87％，而在工程材料使用手册里，该材料的导热系数推荐值为16.3，测试误差为3.5％。

又如申请号为201210243783.7，名称为《热导率测试仪》专利文件公开了一种包括机架，加热模块、冷却模块，测量模块，在加热模块上部及冷却块下端别装有热电偶的热导率测试仪。该测试仪通过设置包含手柄、丝杆、夹具、压力传感器等在内的起固定加压作用的机架；加热模块为“T”形的高导热材料，其上设有轴肩部，轴肩部内设加热棒，加热模块外环面设有隔热装置(层)并通过紧固装置固定成一体后，安装在所述机架的中上部；冷却模块外环面亦设有隔热装置(层)并通过紧固装置固定成一体后，安装在机架的中下部；即加热模块与冷却模块形成上、下个两独立体，工作时将待测材料(件)置于加热模块下端面与冷却模块上端面之间，通过手柄带动丝杆加压、使两两端面紧密接触并通过压力传感器控制其压力。此种结构，其一.虽然克服了上一背景技术中待测试样两接触界面时存在热流损失、影响测量的精度的弊端，但却存在结构过于复杂，测量前、后的拆卸、安装较困难的弊病；其二.该测试仪测量时待测试件四周是裸露于空间的，在热量流经测试试件时，由于试件和周围环境存在温度梯度，热流不可避免的沿横向传递，导致了温度测量时的不确定性误差，不但降低了测量的精度、而且测量数据的一致性差；其三.加热模块位于装置中上部、水冷头置于装置底部，仍存在既不利于热量沿试件轴向向下传递、当水流经水冷头时因低温度的水位于底部又影响散热能力的弊病，而且当热源“加热棒”温度较高时，无法保证热源端与冷端形成理想的温度梯度，加之热电偶设置不合理(仅设于两端)亦影响测量的精度。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的弊病，改进设计一种基于稳态法的导热系数测量装置，以有效提高材料导热系数测量的精度、测量数据的稳定性，以及扩大其应用(测量)范围等目的。