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2022.Nov.14

热传导-TC Hot Disk TPS瞬态平面热源法测试分析五大技巧

Hot Disk TPS瞬态平面热源法测试分析五大技巧
 
Hot Disk作为现今业界广泛使用的热传导量测方法,其优势在于遵循国际标准方法ISO22007-2.2、可以同时量测材料热传导系数、热扩散系数及比热容;热传导系数量测范围广泛(0.005~1800W/mK),同时兼具应用领域广泛、针对不同型态的材料(固体、液体、粉体、膏体、薄膜、低绝缘材料、高导热材料、异方向性材料)提供多种量测模块等优势。然而由于使用此设备的用户甚广,伴随而来许多观念及操作上的问题,本篇将针对评估客户及使用用户常见提出的问题,整理出五大重点,并以QA问答的方式做一系列的统整回复。
 
  Q1: Standard 标准分析模块vs Slab高热传片状模块,其选用的材料种类与时机为何?
  A1: 这部分没有绝对,取决于材料的导热性以及量测时间长短。首先我们要先了解标准分析模块& Slab高热传片状模块在量测上的差异

热源的传递本身就是三维立体的传递方式,在标准法中要考虑的就是三轴(XYZ方向)可允许的穿透深度,也就是材料本身的长宽厚,至于要如何去估材料的大小及厚度是否足够穿透,则和材料的导热性以及量测时间有关,公式为ΔP=2√αt  (P=穿透深度, α=材料热扩散系数, t=量测时间),以图示说明会更清楚了解,可以参考下图:
 
公式ΔP=2√αt 及原理
 
因此若回归到材料特性来说,愈高导热的材料,其 α一定愈高,自然穿透深度就远,对于材料的尺寸要求就需要愈大愈厚,若样品可以做到大于穿透深度的厚度,则可以选用标准法测试,否则我们就会选用Slab法,一般会建议K值高于5W/mK且厚度低于5mm的材料使用Slab模块测试。反过来说,今天若是量测一个低导热的材料(Ex: K < 1W/mK),其穿透深度自然数值就不高,有可能只有1-2mm,这时即使其厚度只有0.2cm,一样可以选用标准法的量测方式。
再来谈谈Slab模块,同上述说明,热源的传递本身就是三维立体的传递方式,Slab法是透过在样品上下多加绝缘块,同时输入样品厚度的参数条件,也就是强制只计算材料有效区间的传热特性,热源一样是三维扩散,当Z轴的热源接触到绝缘层时,会往XY平面方向传递,这是因为热源是选择性走向的,会往好传导的方向去做传递,为了避免量测计算上热源的膨胀效应造成的误差(一定还是会有少量热传传递至绝缘块中),因此在输入参数的页面中,会有一栏Slab Thickness需要输入,红框处就是只有在Slab模块中需要特别输入样品实际厚度,如下:
 
Slab模块 Slab模块输入样品实际厚度

 Q2: Slab模式下,sensor的大小选是依据什么标准?
 A2: Sensor的选择跟很多因素有关,包含样品大小导热性高低以及厚度,在Slab模式下,厚度的选择尤其重要,Sensor的选择要满足0.03 < h/r < 0.75 (h=Sample thickness, r=sensor radius),此标准为Hot Disk ISO22007-2.2规范中明订的。由于上述范围值很广,所以会有一种情况是同时可以使用两种以上的Sensor来量测,当然在选用不同的Sensor时,因Sensor的探头大小不一(Ex: C5501: Radius=6.403mm, C5465 Radius=3.189mm),输入的参数条件(功率&测量时间)会有所不同,小探头的Sensor因热源更为集中,传热效率较佳,因此功率&时间的选择上就会比大探头来的低。
 
 Q3: 有关Hot Disk的测量结果,其取点的依据为何?
 A3: 无论今天测量时间长短,产出的数据皆为200个data point,因此测试时间长短影响的是点位的间隔。Hot Disk建议取点以12~200为标准,主要是考虑前段点是热源瞬间传递到样品的过程中伴随着接触热阻,所以会将前段的data视为误差,对应到测试产出的图谱可以从Transient图去分析,样品会因表面粗糙度或是孔隙等原因有不同的升温曲线(如下图),愈粗糙的样品其接触热阻的区段可能更多,我们就或许会将前段更多的点舍弃掉(Ex: 30~200),而Hot Disk原厂建议分析点至少要含100个参考点才具有测试参考性。
 
Hot Disk测量结果
 Q4: 进行Hot Disk测试时,如何确保Temp. Increase 其热源供应量是否足够?
 A4: 这也会和材料的特性有关,由于待测物接收到热源时同时也在做传热,因此高导热的材料一般会选用高功率测试;相反的,低导热的材料则会使用低功率量测。至于如何确保量测的热源的是足够的,则是以实际量测完成后分析得到的Temp. Increase为依据,一般Hot Disk明订分析区间的Temp. Increase须高于0.5K以上,下图为实际测试分析画面,红框处Temp. Increase即为样品实际的升温数值,也会对应到图谱中的Transient曲线。
Hot Disk为瞬态量测设备,不需有很大的温差变化即可量测,但仍必须满足足够的热源条件,若有热源不足的状况,则可能在Transient图中得到下方右图这种不规则的曲线,这时我们就必须提高量测的功率或时间来改善,以满足常规测试标准。
 
Transient图 Transient图-符合标准
Transient图-不符合标准

 Q5: 进行热分析时,如何确保测量数值的精确性(不亮灯为主)?以此需求检测材料热性能标准的一致性。
 A5: 下图红框的字段分别为:
(1) Probing depth (穿透深度):小于样品实际可允许的穿透深度 (标准法:长宽厚、Slab法:长宽)
(2) Temperature Increase (温度上升):0.5~5K
(3) Total to characteristic time (特征时间):0.25~1
(4) Mean deviation (平均偏差):E-5 ~E-3
这四项为每次量测做为依据的主要标准,其规范的范围值注记在上方。
 
Transient图说明

以上是针对Hot Disk TPS瞬态平面热源量测法统整的5大常见QA,未完待续。未来我司也将持续针对评估客户及用户所提出之疑问,定期整理出一系列的Q&A,当然也十分欢迎业界的先进直接和科迈斯联系,我们会协助安排进一步的说明及Demo测试。
 
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