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14.Nov.2022

熱傳導-TC Hot Disk TPS瞬態平面熱源法測試分析五大技巧

文章-橫幅
 
Hot Disk TPS瞬態平面熱源法測試分析五大技巧

 
Hot Disk作為現今業界最廣泛使用的熱傳導量測方法,其優勢在於遵循國際標準方法ISO22007-2.2、可以同時量測材料熱傳導係數、熱擴散係數及比熱容;熱傳導係數量測範圍廣泛(0.005~1800W/mK),同時兼具應用領域廣泛、針對不同型態的材料(固體、液體、粉體、膏體、薄膜、低絕緣材料、高導熱材料、異方向性材料)提供多種量測模組等優勢。然而由於使用此設備的用戶甚廣,伴隨而來許多觀念及操作上的問題,本篇將針對評估客戶及使用用戶常見提出的問題,整理出五大重點,並以QA問答的方式做一系列的統整回覆。
 
  Q1: Standard 標準分析模組vs Slab高熱傳片狀模組,其選用的材料種類與時機為何?
  A1: 這部分沒有絕對,取決於材料的導熱性以及量測時間長短。首先我們要先了解標準分析模組& Slab高熱傳片狀模組在量測上的差異

熱源的傳遞本身就是三維立體的傳遞方式,在標準法中要考慮的就是三軸(XYZ方向)可允許的穿透深度,也就是材料本身的長寬厚,至於要如何去估材料的大小及厚度是否足夠穿透,則和材料的導熱性以及量測時間有關,公式為ΔP=2√αt  (P=穿透深度, α=材料熱擴散係數, t=量測時間),以圖示說明會更清楚了解,可以參考下圖:
 
公式ΔP=2√αt 及原理
 
因此若回歸到材料特性來說,愈高導熱的材料,其 α一定愈高,自然穿透深度就遠,對於材料的尺寸要求就需要愈大愈厚,若樣品可以做到大於穿透深度的厚度,則可以選用標準法測試,否則我們就會選用Slab法,一般會建議K值高於5W/mK且厚度低於5mm的材料使用Slab模組測試。反過來說,今天若是量測一個低導熱的材料(Ex: K < 1W/mK),其穿透深度自然數值就不高,有可能只有1-2mm,這時即使其厚度只有0.2cm,一樣可以選用標準法的量測方式。
再來談談Slab模組,同上述說明,熱源的傳遞本身就是三維立體的傳遞方式,Slab法是透過在樣品上下多加絕緣塊,同時輸入樣品厚度的參數條件,也就是強制只計算材料有效區間的傳熱特性,熱源一樣是三維擴散,當Z軸的熱源接觸到絕緣層時,會往XY平面方向傳遞,這是因為熱源是選擇性走向的,會往好傳導的方向去做傳遞,為了避免量測計算上熱源的膨脹效應造成的誤差(一定還是會有少量熱傳傳遞至絕緣塊中),因此在輸入參數的頁面中,會有一欄Slab Thickness需要輸入,紅框處就是只有在Slab模組中需要特別輸入樣品實際厚度,如下:
 
Slab模組 Slab模組輸入樣品實際厚度

 Q2: Slab模式下,sensor的大小選是依據什麼標準?
 A2: Sensor的選擇跟很多因素有關,包含樣品大小導熱性高低以及厚度,在Slab模式下,厚度的選擇尤其重要,Sensor的選擇要滿足0.03 < h/r < 0.75 (h=Sample thickness, r=sensor radius),此標準為Hot Disk ISO22007-2.2規範中明訂的。由於上述範圍值很廣,所以會有一種情況是同時可以使用兩種以上的Sensor來量測,當然在選用不同的Sensor時,因Sensor的探頭大小不一(Ex: C5501: Radius=6.403mm, C5465 Radius=3.189mm),輸入的參數條件(功率&測量時間)會有所不同,小探頭的Sensor因熱源更為集中,傳熱效率較佳,因此功率&時間的選擇上就會比大探頭來的低。
 
 Q3: 有關Hot Disk的測量結果,其取點的依據為何?
 A3: 無論今天測量時間長短,產出的數據皆為200個data point,因此測試時間長短影響的是點位的間隔。Hot Disk建議取點以12~200為標準,主要是考量前段點是熱源瞬間傳遞到樣品的過程中伴隨著接觸熱阻,所以會將前段的data視為誤差,對應到測試產出的圖譜可以從Transient圖去分析,樣品會因表面粗糙度或是孔隙等原因有不同的升溫曲線(如下圖),愈粗糙的樣品其接觸熱阻的區段可能更多,我們就或許會將前段更多的點捨棄掉(Ex: 30~200),而Hot Disk原廠建議分析點至少要含100個參考點才具有測試參考性。
 
Hot Disk測量結果
 Q4: 進行Hot Disk測試時,如何確保Temp. Increase 其熱源供應量是否足夠?
 A4: 這也會和材料的特性有關,由於待測物接收到熱源時同時也在做傳熱,因此高導熱的材料一般會選用高功率測試;相反的,低導熱的材料則會使用低功率量測。至於如何確保量測的熱源的是足夠的,則是以實際量測完成後分析得到的Temp. Increase為依據,一般Hot Disk明訂分析區間的Temp. Increase須高於0.5K以上,下圖為實際測試分析畫面,紅框處Temp. Increase即為樣品實際的升溫數值,也會對應到圖譜中的Transient曲線。
Hot Disk為瞬態量測設備,不需有很大的溫差變化即可量測,但仍必須滿足足夠的熱源條件,若有熱源不足的狀況,則可能在Transient圖中得到下方右圖這種不規則的曲線,這時我們就必須提高量測的功率或時間來改善,以滿足常規測試標準。
 
Transient圖 Transient圖-符合標準
Transient圖-不符合標準

 Q5: 進行熱分析時,如何確保測量數值的精確性(不亮燈為主)?以此需求檢測材料熱性能標準的一致性。
 A5: 下圖紅框的欄位分別為:
(1) Probing depth (穿透深度):小於樣品實際可允許的穿透深度 (標準法:長寬厚、Slab法:長寬)
(2) Temperature Increase (溫度上升):0.5~5K
(3) Total to characteristic time (特徵時間):0.25~1
(4) Mean deviation (平均偏差):E-5 ~E-3
這四項為每次量測做為依據的主要標準,其規範的範圍值註記在上方。
 
Transient圖說明

以上是針對Hot Disk TPS瞬態平面熱源量測法統整的5大常見QA,未完待續。未來我司也將持續針對評估客戶及用戶所提出之疑問,定期整理出一系列的Q&A,當然也十分歡迎業界的先進直接和科邁斯聯繫,我們會協助安排進一步的說明及Demo測試。
 
 
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