专利名称：测量导热系数的装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于导热系数的测量装置，特别关于具有良好绝热效果的导热系数测量装置。
背景技术：
在开发功能材料过程中，经常需要测量该导热材料的导热性能，特别是对于导热材料，例如导热胶，其导热系数影响最终产品的导热性能。在电子元件散热装置的设计过程中，需要预先计算、模拟其导热性能，精确测量导热材料的导热系数可以减少试验次数，降低开发成本，因而成为开发设计的关键。
目前测量材料的导热系数主要有以下二种方法一、镭射闪烁法。该方法采用高能镭射作为热源，短时间内迅速将一定热量沉积在样品一表面，并测量样品另一表面的温度变化，测得样品的热扩散率，再通过公式计算出该样品材料的导热系数。该方法测量仪器昂贵，成本较高，且由于材料的密度变化使得测量误差较大。
二、温度梯度法。该方法是将待测样品置于一热源与一低温热沉之间，测量其间形成的温度梯度，从而计算出材料的导热系数。该方法较为简单，易操作，也易于实现。
理想状态下，热源的所有热量通过待测样品传递至低温热沉，但实际上不可避免会有一部份热量从其他方向散发，从而导致测量误差。因此，上述方法的测量精度主要取决于测量设备所用绝热层的绝热性能，一般绝热层会使用绝热材料，如氧化铝陶瓷等，用以将热源与外界环境隔绝，尽量减少热量的损失。但是，仍会有部分热量通过氧化铝陶瓷向外传导。
请参阅图7，2000年9月20日公告的中国专利第93115076.0号揭露一种测量材料导热系数的方法及其装置。该装置9包括外壳13，其内填充有绝热材料形成的一绝热罩14；一热源15，其功率为P；一加热盘10，其面积为S，为紧贴热源15设置；待测材料12，其厚度为L，其一表面与加热盘10表面紧密接触，另一表面与一受热盘11紧密接触；加热盘10与受热盘11分别设置有一温度感测器16，用来分别感测加热盘10与受热盘11的温度。为提高测量精度，加热盘10与受热盘11的径向尺寸远远大于待测材料12的厚度L。
测量待测材料12的导热系数时，仅需利用温度感测器16分别测得加热盘10及受热盘11的温度T1及T2，并将待测材料12的厚度L、加热盘10的面积S热源15的功率P代入导热方程式P＝kS(T1-T2)/L即可得出导热系数k值。其中，热源15可为电加热，则其功率P可用P＝IV求得，I为流过热源15的电流，V为热源15的电压。
上述专利揭露的方法及装置使用方便，测量成本也较低，但有以下缺点首先，该装置9内部不可避免会留有空气，影响测量精度，尤其当测试样品为胶状物或多孔性物体时，例如导热胶，样品内部含有大量气体，这样不仅带入气体，而且样品厚度因气体存在无法准确测量，造成现有测量装置对此类样品无能为力；其次，习知技术中绝热材料如氧化铝陶瓷，其绝热性能仍有不足，不能满足更高测量精度的要求；再次，其需将绝热材料填充到外壳13里面以形成绝热罩14，并将热源15、温度感测器16及加热盘10预先包覆在绝热罩内以防热量散失，这种设计不利于热源15及测度感测器16的安装、检修。
有鉴于此，本发明提供一种可测量胶状或多孔性样品、易操作、绝热性优良且测量精度更高的测量导热系数的装置实为必要。
发明内容为克服现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的在于提供一种可测量胶状或多孔性样品、易操作、绝热性优良且测量精度更高的测量导热系数的装置。
为实现上述目的，本发明提供一种测量导热系数的装置，其包括一用来产生热量的热源；一第一金属块，其紧贴热源设置；一待测样品，其紧贴该第一金属块设置；一第二金属块，其紧贴该待测样品设置；一冷却装置；温度感测器，用来测量该第一、第二金属块的温度；一由绝热材料制成的绝热装置，其形成有一内部空间，上述热源、二块金属块、待测样品及冷却装置均容纳在该内部空间；一抽真空系统与该绝热装置相连，并可将其内部空间抽真空；另外，一压力器可施加预定压力将容纳在其内部空间的元件压紧；其中，该绝热材料是由碳纳米管有序排列分散在氧化铝陶瓷基体材料中，经等离子体烧结而成，且碳纳米管垂直于热量传递的方向排列，其质量含量为5～10％。
与现有技术相比较，本发明利用抽真空系统将内部气体抽走，既可确保样品厚度的测量，又可完全排除空气或其他气体对测量精度造成的不良影响，从而提高测量准确度及可靠性；又因碳纳米管径向不导热的特性，使得传递到碳纳米管的热量被反射回去，提高测量装置的绝热性能，使得热量只能向预定方向传递，可进一步提高最终测量精度。另外，本发明的测量装置容易开启、关闭，其可操作性也大为提高。
图1是本发明的导热系数测量装置立体示意图；图2是本发明的导热系数测量装置去除上盖的内部示意图；图3是本发明的导热系数测量装置的方形绝热侧壁示意图；图4是本发明的导热系数测量装置的方形绝热侧壁示意图；图5是本发明的导热系数测量装置的圆柱形绝热侧壁示意图；图6是热电偶测得金属的温度与距离关系图；图7是现有技术的导热系数测量装置示意图。
具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，即本发明所提供的导热系数测量装置90第一实施方式的立体示意图。该装置包括一绝热装置100，一压力器200。该绝热容器100为一方形密封容器，其具有一可活动的上盖104，该上盖可打开或闭合，以便于将物品放入或取出。另外，一抽气管106穿透该绝热容器100的外壁102，使得其一端延伸至绝热容器100内，另一端与抽真空装置(图未示)相连。可将绝热容器100内抽真空。
请参阅图2，绝热容器100具有双层结构，里层是绝热性保温层110，外层是防护外壁102，可防止磨损。保温层110包括绝热侧壁114及一绝热底壁116，一起围合形成一上端开口的方形内部空间，绝热板115的形状与该开口形状相配，并可上下移动。压力器200与该绝热板115相连，并可施加标准压力在该绝热板115上。
绝热容器100内部，一冷却装置140设在该内部空间的底端，即靠近该绝热底壁116。一铜块126、待测样品130及铜块124顺序堆叠在冷却装置140上，这样，使得待测样品130夹在二铜块126、124之间。其中，上述二铜块126、124及待测样品具有相同截面积A，并且该截面尺寸远远大于待测样品130的厚度H。一热源120设置在铜块124与绝热板115之间，而前述压力器200施加标准压力至该绝热板115，将上述各物件紧压。
抽气管106设在绝热侧壁114中部，最好设在对应样品130高度的位置，这样有利于将待测样品的气体抽走，尤其当测量胶状或多孔性样品时，先将气体抽走方可准确测量其厚度，从而确保测量结果的准确性及可靠性。抽真空装置通过抽气管106将绝热容器100内抽成真空后，可排除空气对测量结果的不利影响，以提高测量精度。
为减小界面热阻，铜块126与样品130的接触面及铜块124与样品130的接触面均应抛光，以使接触面平整光滑为佳。
上述绝热侧壁114、底壁116及绝热板115均由氧化铝陶瓷113及碳纳米管112形成的复合材料制成，该复合材料是以氧化铝陶瓷113为基体，碳纳米管112为填充物经等离子体烧结而成。其中碳纳米管112是垂直于热传递方向排布，本实施方式中，碳纳米管112是垂直于绝热侧壁114、底壁116及绝热板115的厚度方向而排列，碳纳米管112的质量含量为5～10％。
碳纳米管112是一种由石墨层碳原子卷曲而成的管状材料，其直径一般为几纳米到几十纳米，可为连续排列，也可为不连续排列。碳纳米管112具有独特导热性能，其轴向导热性极优异，但径向不导热，因此，当热量垂直碳纳米管112传递时，不会沿其径向传递，碳纳米管112将热量反射回去。因此，本发明使用的绝热容器100具有优良的绝热性能，较传统的氧化铝陶瓷具有更高绝热效果，可确保热源120产生的热量仅能沿铜块124向样品方向130传递，并且避免热量在传递过程中透过绝热侧壁114散发到绝热容器100外面。覆盖于绝热侧壁114的外壁102起到保护作用，可防止外力对绝热侧壁114的破坏或磨损。
请参见图3及图4，当上述复合材料制成方形的绝热侧壁114、底壁116或绝热板115时，其中碳纳米管112可以有二种排布方式。第一种是沿x轴方向，即绝热侧壁114宽度方向排布，第二种是沿y轴方向，即绝热侧壁114长度方向排布。如此，当热量沿z轴方向，即绝热侧壁114厚度方向传递时，因碳纳米管112径向不导热特性，热量被反射回去，从而达到保温绝热的优异效果。
当然，绝热容器100也可是其他形状，如常用圆柱形测量装置来测量表面为圆形的样品，这种情况下，绝热容器100就由一圆柱形绝热侧壁及圆形底壁及绝热板构成。
请参阅第五图，为本发明第二实施例的圆柱形绝热容器117的剖面图，其中，碳纳米管119沿圆柱的轴向排布，即垂直于圆柱的径向方向。圆柱形绝热壁117需与圆形底壁及圆形(图未示)绝热底壁及圆形绝热板(图未示)配合使用，可由第一实施例中的底壁116及绝热板115制成尺寸相配的圆形即可。当热量由圆柱内向外传递时，因碳纳米管119的径向不导热特性，将热量反射回去，从而达到保温绝热的优异效果。
请参阅图2及图6，本发明的导热系数测量装置90使用时，顺序将冷却装置140、铜块126、待测样品130、铜块124及热源120放入绝热容器100内部并密合封闭。其中该冷却装置140可包括冷却水管等，热源120可为电加热，如此在热源120与冷却装置140之间形成一温度梯度场。利用压力器200施加一标准压力至该绝热板115，压力器200施加压力的压力一般为20～251bf范围内，利用抽真空装置经抽气管106将绝热容器100抽真空，即可开始测量。
在铜块124一侧面，距离样品130上表面a1、a2、a3处分别设置温度感测点D1、D2、D3，利用温度感测装置(图未示)可测得此三点位置的温度T1、T2、T3，温度感测装置包括热电偶等。同样，在铜块126一侧面，距离样品下表面s1、s2、s3处分别设置温度感测点M1、M2、M3，利用温度感测装置可测得此三点位置的温度T4、T5、T6。
根据傅利叶公式Q＝-kAΔT/ΔD上式中A为样品130表面积，ΔD为热量流过样品130的距离，即样品130的厚度。因此，要测得样品130的导热系数k值，需要先确定通过样品130的热通量Q值及其上下表面温度差ΔT＝Tlow-Tup即上表面温度Tup及下表面温度Tlow的差值。
因绝热容器100的绝热侧壁114及绝热板115不能传递热量，因此，热量只能够从热源120向冷却装置140传递，且传递过程中没有热量散失。如此，从D3流至D2的热通量Q32、从D2流至D1的热通量Q21，流过样品的热通量Q、从M1流至M2的热通量Q12、从M2流至M3的热通量Q23均相等，如此仅需求得任何一个热通量即可得知样品130的热通量。而铜块124、126的导热系数k1为已知值，则根据傅利叶公式，可得流过铜块124、126的热通量值Q。
请参阅图6，为热电偶测得铜块的各点温度与距离关系图，则可根据铜块124的D1、D2、D3三点的温度T1、T2、T3求得样品130上表面温度Tup，同理，可由铜块126上的M1、M2、M3三点的温度求得样品130下表面温度Tlow。将上述热通量及温度Tup及Tlow代入公式即可求得样品130的导热系数。
本领域普通技术人员应明白，本发明利用碳纳米管112的径向不导热特性，使得绝热容器100绝热性能大为提高，也使得热量仅能向预定方向传递；而抽气管106及抽真空装置可将绝热容器100内抽真空，排除空气影响，可进一步提高最终测量精度；而热源120并不限于电加热，其他能够提供足够热量的方式均可适用，另外，冷却装置140也不限于冷却水管，液氮等其他冷却方式也可适用本发明，铜块124、126也可用其他金属代替，其目的仅在于根据现有已知导热系数材料来测得热通量及样品130表面温度Tlow及Tup。
权利要求
1.一种测量导热系数的装置，其包括可活动压力器、封闭的绝热装置及温度感测器，该绝热装置由绝热保温壁、一绝热底壁、一可活动的绝热板和一可开合的绝热盖所围成，该绝热装置内部容纳有一热源、一紧贴该热源的第一金属块、一紧贴该第一金属块的待测样品、紧贴该待测样品的第二金属块及一紧贴该第二金属块的冷却装置，其特征在于该保温壁、底壁、绝热板和绝热盖包括含碳纳米管的氧化铝陶瓷复合材料，该测量装置还包括一与该绝热装置相连的抽真空系统。
2.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该复合材料是由碳纳米管有序排列分散在氧化铝陶瓷基体中，经等离子体烧结而成。
3.如权利要求2所述的测量导热系数的装置，其特征在于该碳纳米管是垂直于热量传递的方向排布在氧化铝陶瓷基体中。
4.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该复合材料中碳纳米管的质量含量为5～10％。
5.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该抽真空系统包括抽气管及抽气装置，抽气管延伸至绝热容器的内部空间。
6.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该热源紧贴该绝热板设置，该冷却装置紧贴在该绝热底壁上。
7.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该第一金属块、第二金属块以及待测样品具有相同的截面积。
8.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该压力器是在绝热板上施加预定压力。
9.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该温度感测器是用来测量第一金属块和第二金属块的温度。
10.如权利要求1所述的测量导热系数的装置，其特征在于该热源是电加热。
全文摘要
本发明提供一种测量导热系数的装置，其包括一封闭绝热装置及一抽真空系统。其中绝热装置内有热源、二金属块、待测样品、一冷却装置等。该绝热装置是由碳纳米管有序排列分散在氧化铝陶瓷基体材料中，经等离子体烧结(spark－plasma sintering)而成，碳纳米管的含量为5～10％。该碳纳米管是垂直于热量传递的方向排布。本发明利用抽真空系统将内部气体排出，可排除气体的不良影响；又因碳纳米管径向不导热的特性，使得传递至碳纳米管的热量反射回去，提高测量装置的绝热性能，使得热量只能向预定方向传递，可提高最终测量精度。
文档编号G01N25/20GK1657923SQ200410015458
公开日2005年8月24日 申请日期2004年2月21日 优先权日2004年2月21日
发明者黄文正, 翁维襄, 黄全德 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司