什么是熱阻，測試標準及方法介紹

發(fā)布時間：2018-05-03 17:25:00
來源：傲川科技
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隨著科技的進步，人們對熱量的控制和利用變得越來越重要。熱阻和熱阻抗是熱學(xué)研究中重要的概念，他們可以幫助人們更好地了解和控制物體對熱量的傳導(dǎo)能力和抵抗力。

在導(dǎo)熱行業(yè)中，導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料導(dǎo)熱性能的一項重要參數(shù)。但在實際應(yīng)用中，單單采用導(dǎo)熱系數(shù)評估產(chǎn)品能否適用往往還不夠，我們往往還需要引入另外的參數(shù)——熱阻或熱阻抗來幫助判斷。本文將對熱阻和熱阻抗的定義、計算方法以及與材料厚度的關(guān)系進行介紹，以期能更好地理解并應(yīng)用這兩個概念。

熱阻的定義

熱阻(Thermal Resistance)的定義是：當(dāng)有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值。可以理解為熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了 1W熱量所引起的溫升大小，單位為K/W或℃/W。可以用一個簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當(dāng)于電流，溫差相當(dāng)于電壓，則熱阻相當(dāng)于電阻。熱阻和材料的厚度成正比，和材料的面積成反比。

熱阻抗(Thermal Impedance)表示的是材料單位面積上的熱阻，它的單位是℃·cm2/W或℃·in2/W。與熱阻相比，熱阻抗的計算多了對面積的考量。熱阻是針對單一的材料而言的，而界面材料的熱阻抗也將取決于實際裝配條件。熱阻抗和材料的厚度成正比。

接觸熱阻

當(dāng)熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，界面本身對熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何外表上看來接觸良好的兩物體，直接接觸的實際面積只是交界面的一部分（圖），其余部分都是縫隙。熱量依靠縫隙內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和熱輻射進行傳遞，而它們的傳熱能力遠不及一般的固體材料。熱流流過交界面時，接觸熱阻會大大降低傳熱效率，使沿?zé)崃鞣较驕囟?nbsp;T驟降，這種現(xiàn)象是工程應(yīng)用中需要盡量避免的。

如何減小接觸熱阻

目前，減小接觸熱阻的措施主要有：

①增加物體間接觸面的壓力，使物體交界面上的突出部分變形，從而減小縫隙增大接觸面。

②將導(dǎo)熱材料填滿兩物體交界面處的空隙，盡量排出空氣，如：采用導(dǎo)熱硅脂或?qū)峁枘z片

散熱原理

導(dǎo)熱系數(shù)反映的是物質(zhì)在單位體積下的導(dǎo)熱能力。實際上它反映了物質(zhì)導(dǎo)熱的固有能力。這種能力是由物質(zhì)的原子或分子結(jié)構(gòu)決定的。它是評價物質(zhì)導(dǎo)熱能力的參數(shù)。

熱阻其實是導(dǎo)熱系數(shù)與物體的幾何形狀相結(jié)合而體現(xiàn)的該形狀物體的導(dǎo)熱能力。對非均勻厚度的物體，均勻熱流密度的熱流通過物體后，兩端任意兩點的溫度差可能是不同的，即任意兩點間的熱阻可能是不同的。熱阻必須是指定的兩個點之間的熱阻，并且兩點之間沒有其它的熱源。它反映的是特定兩點間的導(dǎo)熱能力，更能反映實際應(yīng)用時的情況。

熱阻的測試標準及方法

目前，業(yè)內(nèi)常用于測試熱阻的標準是ASTM D5470，是美國材料試驗協(xié)會制訂的用于測試薄導(dǎo)熱固態(tài)電絕緣材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)的表征測試。

本方法是基于測試兩平行等溫界面中間厚度均勻試樣的理想熱傳導(dǎo)。試樣兩接觸界面施加不同溫度，使得試樣上下兩面形成溫度差，促使熱流量全部垂直穿過試樣測試表面而沒有側(cè)面的熱擴散。在此測試方法中，試樣夾在兩金屬板中呈現(xiàn)三明治狀，加壓，施加一定量的熱能。當(dāng)其平衡后，可通過量熱計測試并計算熱阻。熱阻的計算公式如下：

熱阻公式

在上周的科普中，我們介紹過這種穩(wěn)態(tài)熱板法可以通過熱阻反映導(dǎo)熱系數(shù)，更能模擬產(chǎn)品實際應(yīng)用中的狀態(tài)。具體來說，通過單層和多層試樣的熱阻和試樣厚度作曲線得到導(dǎo)熱系數(shù)。其中X軸為試樣的厚度，Y軸為熱阻。如果曲線是一條直線的話，那么其斜率就是表觀導(dǎo)熱系數(shù)。在厚度為零處的截距為試樣在該壓力、加壓表面下的界面熱阻RI?？梢圆捎米钚【秸`差算法計算來獲得較為準確地斜率和截距。

穩(wěn)態(tài)熱板法原理圖