碳復(fù)合材料的導(dǎo)熱測(cè)量

In-Plane 測(cè)試方法的應(yīng)用不僅限于各向異性薄片材料的測(cè)量。對(duì)于某些微米級(jí)的高導(dǎo)熱薄膜材料，若厚度方向傳熱時(shí)間極短，以至于無(wú)法使用常規(guī)方法測(cè)量其厚度方向的熱擴(kuò)散性能，

作者：朱明峰，曾智強(qiáng)

30年前碳復(fù)合材料就被開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于取代高性能軍用飛行器引擎上的金屬部件，現(xiàn)在這種材料也被用在民用飛行器、剎車(chē)制動(dòng)（賽車(chē)剎車(chē)片）、真空爐部件、化學(xué)反應(yīng)器和其它工業(yè)。碳復(fù)合材料具有諸多特性，比如質(zhì)地輕、化學(xué)惰性、高溫下強(qiáng)度高、比強(qiáng)度高于耐熱合金，在熱傳導(dǎo)方面也優(yōu)于銅和金。碳復(fù)合材料的性能差異很大程度上取決于內(nèi)部纖維的分布方向。利用Netzsch LFA可以測(cè)量碳復(fù)合材料在不同方向上的熱物性參數(shù)。

測(cè)試條件

溫度范圍：RT…1000°C

樣品厚度：2.52mm

表面處理：石墨噴涂

樣品支架：12.7mm

LFA比熱標(biāo)樣：Poco石墨

測(cè)試結(jié)果

從上圖來(lái)看，碳復(fù)合材料的熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)在不同方向上差異明顯，但是不同纖維方向樣品的比熱結(jié)果卻具有高度的一致性和重復(fù)性。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，比熱隨著溫度的升高而逐漸增加，這與Debye理論的預(yù)測(cè)是一致的，而且測(cè)量值大小也符合石墨復(fù)合材料的經(jīng)典數(shù)值。

微米級(jí)超薄石墨片的導(dǎo)熱性能測(cè)試

作者：焦聯(lián)聯(lián)

In-plane 測(cè)量模式

隨著電子產(chǎn)品的升級(jí)換代的加速和迷你、高集成以及高性能電子設(shè)備的日益增長(zhǎng)的散熱管理需求，石墨材料散熱技術(shù)得到廣泛的深入研究，可應(yīng)用在筆記本電腦、平板顯示器、數(shù)碼攝像機(jī)、移動(dòng)電話(huà)及針對(duì)個(gè)人的助理設(shè)備、LED 燈等領(lǐng)域。

本次測(cè)試采用 Netzsch 閃光法導(dǎo)熱儀 LFA447 中的 In-plane 模式進(jìn)行樣品薄片的水平方向?qū)嵝阅軠y(cè)試。

1.In-plane 測(cè)量模式介紹

測(cè)試示意圖如下：

圖 1. Netzsch LFA In-plane 模式測(cè)試原理示意圖

一束激光能量照射到樣品下表面范圍較小的中心區(qū)域，然后該能量在樣品內(nèi)部沿著兩個(gè)方向傳導(dǎo)，一是垂直向上，二是水平方向。沿垂直方向直接傳導(dǎo)的中心區(qū)域能量會(huì)被樣品上方的樣品支架蓋子所遮擋從而不能被紅外檢測(cè)器檢測(cè)到。而水平方向傳遞的能量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的傳導(dǎo)以后，最后經(jīng)過(guò)樣品支架蓋子的鏤空區(qū)域出來(lái)，被紅外檢測(cè)器檢測(cè)到，所以紅外檢測(cè)器檢測(cè)得到的信號(hào)是經(jīng)過(guò)了平面?zhèn)鲗?dǎo)一段距離后的那部分激光能量（其沿垂直方向傳導(dǎo)的影響可通過(guò)模型進(jìn)行修正）。通過(guò)耐馳特有的 In-plane 數(shù)學(xué)模型對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合分析，我們可以準(zhǔn)確計(jì)算材料平面方向上的熱擴(kuò)散系數(shù)。

2. 石墨薄片徑向測(cè)試——In-plane 方式的樣品放置圖

圖 2. In-plane 支架放置樣品示意圖

3. 石墨薄片徑向測(cè)試—— Laminate 方式的樣品放置圖

為了驗(yàn)證耐馳 In-plane 模式測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們將石墨薄片樣品在平面上一片片切開(kāi)后，將薄片一片一片豎起來(lái)整齊疊加排列在下面的方形樣品支架中，然后將兩個(gè)端面在細(xì)砂紙上打磨平整，得到一塊石墨徑向測(cè)試的樣品，這個(gè)樣品采用垂直方式進(jìn)行測(cè)試直接得到徑向的導(dǎo)熱系數(shù)，如果這個(gè)方式（下稱(chēng)為 Laminate 方式）得到的結(jié)果和 In-plane 方法得到的結(jié)果接近或相同，就能夠證明 In-plane 模式的準(zhǔn)確性。

圖 3. 樣品垂直疊加示意圖

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 石墨薄片的厚度方向?qū)嵝阅軠y(cè)試

圖 4. 石墨片垂直方向測(cè)試結(jié)果

圖4中顯示的為石墨薄片厚度方向的測(cè)試結(jié)果，室溫 25℃下的熱擴(kuò)散系數(shù)為 3.944 mm2 /s。將該熱擴(kuò)散系數(shù)、以及材料的比熱數(shù)據(jù)（使用 DSC 測(cè)得）鏈接至材料的屬性表中，再以 In-plane 方式進(jìn)行測(cè)試，并使用“In-Plane各向異性+熱損耗”模型計(jì)算水平方向的熱擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果如下：

4.2 石墨薄片的徑向?qū)嵝阅軠y(cè)試（Inplane 方式）

圖 5. In-plane 徑向測(cè)試結(jié)果

由圖 5 中可看出,Inplane 模式測(cè)試得到的材料在 25℃下熱擴(kuò)散系數(shù)為 242.5 mm2 /s，導(dǎo)熱系數(shù)為214.9 W/(m*K)。

與此同時(shí)，我們按照前述的特殊制樣方法，以常規(guī)的單層模式對(duì)石墨薄層的徑向?qū)嵝阅苓M(jìn)行了驗(yàn)證性的測(cè)試。

4.3 石墨薄片的徑向?qū)嵝阅茯?yàn)證性測(cè)試（Laminate方式）

圖 6. Laminate 徑向測(cè)試結(jié)果

圖6 中可得石墨薄膜的 Laminate 徑向測(cè)試結(jié)果：25℃下熱擴(kuò)散系數(shù)為 227.0 mm2 /，導(dǎo)熱系數(shù)為201.2 W/(m*K)。

5. 分析與討論

我們將兩種模式的水平方向測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩種模式的測(cè)試結(jié)果較為吻合，若以 Laminate 模式作為真值（因單層常規(guī)計(jì)算模型具有更高的準(zhǔn)確性，通常可達(dá)到 3%），則 In-Plane 模式的偏差僅為 6%，考慮到這一測(cè)試方法與計(jì)算模型的特殊性，已經(jīng)具備了較高的準(zhǔn)確性和可靠性。而 In-plane 模式在樣品制備方面，又有著Laminate 方式所不能代替的便利性。這就為各向異性的薄膜測(cè)試提供了一種較好的方法。

此外，In-Plane 測(cè)試方法的應(yīng)用不僅限于各向異性薄片材料的測(cè)量。對(duì)于某些微米級(jí)的高導(dǎo)熱薄膜材料，若厚度方向傳熱時(shí)間極短，以至于無(wú)法使用常規(guī)方法測(cè)量其厚度方向的熱擴(kuò)散性能。此時(shí)如果該樣品為各向同性，即水平方向?qū)嵝阅芘c垂直方向相同，則也可使用 In-Plane 的徑向測(cè)試代替垂直方向測(cè)試，獲取樣品的熱擴(kuò)散與導(dǎo)熱系數(shù)。