来源：赛宝可靠性

作者：张莹洁、王子涵 

随着科技的发展，导热界面材料在微电子、电工电气、太阳能、汽车电子、航空航天、国防军工等领域应用越来越广，但是大家对于材料导热性能的测试却不那么清楚，材料的导热性能受到热阻、硬度、厚度等参数的影响，然而评价一个材料导热性能的关键指标是导热系数，它用来表征材料导热能力的大小，是衡量材料传导热能的一个重要基本物理参数。然而想要准确测量一个材料的导热系数并不是件容易的事情，不同的测试方法适合不同的材料，选对方法才能使我们准确得知材料的导热系数，从而对材料有一个更深入的认识。下面让我们来看看市面上常见的几种导热系数的测试方法：在介绍具体的导热系数测试方法前，首先我们先来大体了解一下不同种类的测试方法，总体分为两类，稳态法和瞬态法，如表1所示。

表1 稳态法与瞬态法对比

稳态法与瞬态法各有千秋，其分支也是方法众多，如图1所示。

           

图1 热导率测量方法

下面我们将从稳态法和瞬态法中各选取两种具体的测量方法，从原理、标准、样品适用性等方面对比不同的导热系数测试方法。

01 热流法（稳态法）

适用标准ASTM D 5470-17：StandardTest Method for Thermal Transmission Properties of Thermally ConductiveElectrical Insulation Materials.

稳态热流法测试时要将待测样品放置于上下两个金属棒之间，施加一定作用力使金属棒端部贴紧试样，减少接触界面间的空气间隙和接触热阻。由热源(Heat Source)提供可控制的输入热量，经过金属棒→试样→金属棒。根据通过试样的平均热流与温差测试热阻抗，根据热阻和厚度的比值计算导热系数，如图2所示。

图2 稳态热流法原理及结构示意图

该方法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料，同时适用于均质及非均质之导热电绝缘热界面材料的等效热传导系数与热阻抗测试，如：导热膏、导热片、导热胶、硅橡胶、基板、铝基板、覆铜基板、软板等热传导系数＜20/m℃的材料。

02 防护热板法（稳态法）

适用标准ASTM E 1530-11：Standard Test Method for Evaluating the Resistance to ThermalTransmission of Materials by the Guarded Heat Flow Meter Technique.

防护热板法的工作原理与热流法类似，一般采用双试件保护平板结构，在热板上下两侧各对称放置相同的样品和冷板，如图3所示，试件周围由保护层，主加热板周围环有辅助加热板，以保证一维导热状态，达到一维稳态导热状态时，根据傅里叶定律可得导热系数：

式中，q—主加热板的加热功率，单位W；δ—样品厚度，单位m；A—样品横截面积，单位m²。

图3 防护热板法结构原理图

在已知样品尺寸、主加热板加热功率后，利用热电偶测得两样品上下表面的温度，由上式即可求得材料在四个温度的平均温度时的导热系数。该法可用于温度范围更大、量程较广的场合，误差较小且可用于测定低温导热系数。缺点是稳定时间较长，不能测定自然含水状态下材料的导热系数，需先对样品进行干燥处理而且样品厚度对结果精度有较大影响。

03 激光闪射法（瞬态法）

适用标准：ASTM E 1461-13：Standard Test Method for ThermalDiffusivity of Solids by the Flash Method. & GB/T 22588-2008: 闪光法测量热扩散系数或导热系数。

激光闪射法是一种用于测量高导热界面材料与小体积固体材料的技术，在一定的设定温度T（由炉体控制的恒温条件）下，由激光源或闪光氙灯在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。

图4激光闪射法示意图

使用红外检测器连续测量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线以及温升达到最大值的二分之一时的时间（t1/2），通过公式计算得到热扩散系数α，其中δ是样品厚度

导热系数计算公式：

激光闪射法不仅能测量普通固体样品的导热性能，通过使用合适的夹具或样品容器并选用合适的热学计算模型，还可测量诸如液体、纤维、薄膜、熔融金属、基质上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热扩散系数并计算导热系数。高导热样品需要厚一点，而低导热样品需要薄一点。

04 平面热源法（瞬态法）

适用标准：ISO 22007-2:2015 Plastics --Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity -- Part 2:Transient plane heat source (hot disk) method.

将带有自加热功能的温度探头加载在样品中，测试时在探头上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升，然后测量探头本身和与探头相隔一定距离的圆球面上的温度随时间上升的关系，通过数学模型拟合同时得到样品的导热系数和热扩散系数。

探头表面平均温升：

其中，P0—探头输出功率，r —探头半径，通过瞬态曲线斜率可以计算出导热系数。

图5 平面热源法示意图

适用该方法的样品形式多样，可测试固体，液体，胶体，粉末，带有孔隙的材料以及各向异性材料，也可对薄膜及涂层材料进行测试。该方法具有可直接测量热传导，节约时间；测试范围宽，精度高；不受接触热阻的影响；只需平整的样品表面，无须特别的样品制备。同时，不同型号的探头对样品尺寸有不同的要求。

同样的，一个导热界面材料性能好坏并不能仅仅看其导热系数的大小，与其自身性能也有很大关系，以导热硅脂为例，我们来看看除了导热系数我们还需要知道它的哪些性能才能投入使用呢。

表2 导热硅脂常规性能测试

从表2中我们可以看到除了导热系数以外还是有很多导热界面材料常规性能测试需要做，不同的导热界面材料对应的常规性能测试也是不同的。

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