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隨著5G時代到來，對電子設(shè)備及材料提出了更高的要求。5G信號發(fā)射頻率高，設(shè)備溫度耗散性能要求高，材料的導(dǎo)熱性能成為了評價5G材料的重要指標(biāo)。

 

 

材料導(dǎo)熱性能的提高，主要原理是增加材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)熱通路，一般采用兩種方式，一種是高分子基材本體結(jié)構(gòu)的影響，如結(jié)晶性聚合物可通過對材料施加外力，高分子鏈的結(jié)構(gòu)會沿著外力的方向進行排列，形成連續(xù)的短切晶橋，當(dāng)熱量沿著外力方向傳播時可獲得很高的導(dǎo)熱系數(shù)，從而改善聚合物材料的傳熱能力。對于非晶態(tài)的聚合物來說，在受力后不僅可以形成取向，而且可以使高分子的自由體積受迫變小使內(nèi)部更緊密，從而減弱延取向方向的聲子散射，提高導(dǎo)熱性能。

 

 

二是添加導(dǎo)熱填料，高的填充系數(shù)必將獲得更高的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)填充量變大時，導(dǎo)熱粒子之間接觸的可能性變大，一旦形成連續(xù)的粒子連通相導(dǎo)熱系數(shù)將快速提升。同時填料的幾何形態(tài)對材料的導(dǎo)熱系數(shù)是非常明顯的，同種粒子通常會有不同的形貌，一般來說長徑比大的填料更易取向排列形成導(dǎo)熱通路。如將碳纖維填充到聚丙烯中并沿軸向取向，其軸向?qū)嵯禂?shù)隨體積分?jǐn)?shù)變化非常明顯，但垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)基本上毫無變化。

 

在測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)過程中，除了考慮儀器狀態(tài)、實驗條件外，還要考慮到試樣本身因素對測試的影響，因為試樣的厚度和處理的方式直接影響了導(dǎo)熱性能的測試結(jié)果。聚合物在兩個方向上，產(chǎn)生了各向異性。由于復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)會受到基體和填料結(jié)構(gòu)特性的影響，通常需要分別測試Z軸和X軸不同方向的導(dǎo)熱性能，如圖1所示。以復(fù)合材料為例，利用激光閃射導(dǎo)熱儀對材料導(dǎo)熱性能進行測試，其原理是一束激光能量在試樣內(nèi)部沿著Z軸和X軸兩個方向進行能量傳導(dǎo)。

 

 

圖1測試方向圖

 

當(dāng)進行樣品Z軸方向上測試，一定的設(shè)定溫度 T（恒溫條件）下，由激光源（或閃光氙燈）在瞬間發(fā)射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時升高，并作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端（上表面）傳播，使用紅外檢測器連續(xù)測量上表面中心部位的相應(yīng)溫升過程，如圖2右圖所示。

 

 

圖2導(dǎo)熱測試圖（坐圖為樣品和支架圖，右圖為測試原理圖）

 

但由于樣品（samples）X軸方向的接觸面激光光源在下方，只能從下往上垂直發(fā)射激光，導(dǎo)致紅外檢測無法檢測沿著Z軸方向傳到X軸方向上中心區(qū)域的能量，以上情況是只針對于聚合物材料來說，如圖2左圖所示。然而，當(dāng)前X軸裁樣方法多為手工裁剪，存在樣品尺寸大小和厚度不均一、拼接面不平整、耗時廠等問題，因此，探究X軸方向材料樣品制備方法對多向異性的導(dǎo)熱材料研發(fā)至關(guān)重要。

 

1、試驗方案

 

本案例將采用LFA467激光閃射導(dǎo)熱儀測定材料導(dǎo)熱系數(shù)不同方向上的熱擴散系數(shù)。通過激光閃射覆蓋試樣下表面，熱量以一維傳熱的方式通過試樣，檢測器測試樣上表面發(fā)生的溫度變化，計算到達(dá)最大溫升所需時間的一半（t1/2），按公式（1）α =0.13879d2 /t1/2計算熱擴散系數(shù)。另外，按公式（2）λ = α•CP•ρ計算試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，理想曲線如圖3所示。（d：樣品厚度；T50：半升溫時間；Cp：樣品在溫度T時的比熱；ρ：密度）

 

 

圖3理想升溫和分析參數(shù)關(guān)系圖

 

由公式可見，樣品厚度是影響材料熱擴散系數(shù)的重要因素。而對于X軸方向的裁樣的難點就在于保證厚度均一性和每一片試樣的平整性，這可能會導(dǎo)致激光導(dǎo)熱測試出現(xiàn)漏光的情況，進而影響測試的數(shù)據(jù)擬合。

所以，本試驗將對雕刻機在特殊制樣方法進行開發(fā)，分別對待測樣品進行Z軸和X軸方向上的裁樣，這樣既減少了實驗的誤差，也保證了每一個小樣拼接起來的尺寸是一致的。

 

2、試驗設(shè)備

 

Ø 普通樣品臺

 

                               

 圖6 方形樣品支架         圖7 圓形樣品支架

 

Ø 特殊樣品臺

 

 

圖8 X軸方向測試樣品支架

 

3、雕刻機裁樣結(jié)果

 

Z軸方向上的試樣：尺寸∅12.7mm，如圖9所示

 

 

圖9 Z軸方向樣品示意圖

 

X軸方向上的試樣：尺寸12.7mm

將樣品在平面上一片片切開，把切開試樣豎起來疊加在特殊類型的樣品支架中，然后使用砂紙對試樣進行打磨，得到一塊X軸方向上的待測樣品，如圖10所示。

 

 

圖10 X軸方向樣品示意圖

 

對切割樣進行檢查和分析，如表所示，實驗Z軸方向裁樣尺寸相對平均偏差＜6%，實驗X軸方向裁樣厚度相對平均偏差＜1.5%，均小于10%，對測試結(jié)果影響較小，符合樣品使用要求。

 

3.1 Z軸方向

 

表1 示例實驗Z軸方向裁樣尺寸相對平均偏差表

 

 

3.2 X軸方向

 

表2 示例實驗X軸方向裁樣厚度相對平均偏差表

 

 

4、LFA激光閃射導(dǎo)熱測試及數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

 

本試驗選取了五個溫度點測試樣品，在不同方向上導(dǎo)熱系數(shù)的變化情況，測試結(jié)果如下：

 

4.1試樣Z軸方向上的導(dǎo)熱系數(shù)測試

 

 

圖11 示例實驗Z軸方向測試結(jié)果

 

4.2試樣X軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)測試

 

 

圖12 示例實驗X軸測試結(jié)果線性分析

 

 

圖13 示例實驗X軸方向測試結(jié)果線性關(guān)系

 

 

圖14示例實驗Z軸和X軸方向測試不同溫度下測試導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系

實驗表明：

 

a) 不同方向上測試的導(dǎo)熱系數(shù)有顯著性差異，在試樣制備過程中需對不同方向裁樣的尺寸和厚度進行嚴(yán)格控制。

b) 對于雕刻機在制樣上的使用已經(jīng)進行了對導(dǎo)熱試樣Z軸方向和X軸方向的裁剪，一定程度上保證了試樣尺寸大小和厚度偏差小于1%（如表1和2所示）。

c) 利用雕刻機對X軸方向上的裁樣大大縮減了時間，相比于手動裁樣， 可以減少人工，提高資源利用率。

d) 一定范圍內(nèi)保證X軸方向上裁得每一片小樣厚度的均一。

因此，說明利用雕刻機進行X軸方向裁樣是可行的。

 

5、總結(jié)：

 

在今后的X軸方向上的導(dǎo)熱測試，利用雕刻機進行制樣可以保證樣品的尺寸大小、厚度均一及表面平整等，減少了測試人工的輸出，使測試結(jié)果真正可靠的同時，也提高測試效率。