薄膜热导率测试系统（TCT）
Thin-Film Thermal Conductivity Test System
嘉仪通科技
嘉仪通科技成立于2009年，总部位于武汉市东湖开发区未来科技城，拥有研发及办公面积1100多平方米，在北京、上海、成都建有办事处，并与当地科研院所合作建立了联合实验室。
嘉仪通科技是一家研发、生产和销售关于新材料、尤其是薄膜材料物性分析科学仪器的高新技术企业，从而为客户新材料的研发及改进提供理论依据和实验平台。嘉仪通科技秉承技术创新、应用为上的价值理念，遵循“穷理致用”的原则，踏踏实实、认认真真做好每一台科学仪器。嘉仪通科技拥有一批海归研发团队，解决了纳米级薄膜材料物性分析的国际难题，并获得多项荣誉。
作为薄膜材料物性分析领跑者，嘉仪通科技已建立完善的薄膜材料物性分析科学仪器产品线：
●相变温度分析仪（PCA）
●热膨胀系数分析仪（TEA）
●光功率热分析仪（OPA）
●热电参数测试系统（Namicro）
●薄膜热电参数测试系统（MRS）
●薄膜热导率测试系统（TCT）
●薄膜热应力测试系统（TST）
●薄膜变温电阻测试仪（TRT）
●薄膜磁性测试系统（TMT）
●霍尔效应测试系统（HET）
......
部分使用客户
清华大学中科院金属所
中科院电工所中科院上海微系统所
福建省特检院华中科技大学
北京科技大学武汉理工大学
安徽工业大学武汉工程大学
西华大学盐城工学院
Queen Mary of University London,UK
本仪器采用3ω测试方法，利用微/纳米薄膜材料导热引起加热器电信号的变化来检测其热导率。主要应用范围为微/纳米薄膜材料的热导率测量，可广泛应用于辅助各种功能薄膜材料的研究与开发，其涵盖范围包括高等院校及科研院所、集成电路散热材料、航空航天材料、热电材料与器件、信息存储与光电器件。
产品优势
●可测量薄膜材料的热导率，尤其是微/纳米薄膜材料热导率的高性能测量；
●不直接测量温度变化，而是通过测量材料在导热过程中温度的变化转换为的电信号的变化来实
现微/纳米薄膜材料的热导率，微伏级电压值，保证测量结果的高精确度；
●采用交流电加热方式，同时选择并优化设计加热电极的形状与尺寸，可保证加热均匀性及测试
应用的广泛性、准确性与稳定性；
●待测薄膜样品材料尺寸极小，能有效减小黑体辐射引起的测量误差；
●可在真空及温度可控环境下测试，有效避免因环境温度变化和空气热传导而引起的测量误差；
●友好的软件界面。
软件界面
技术原理
原理示意图
本产品技术方案核心为3ω测试法，其主要原理为在待测薄膜材料表面淀积一层金属电阻条，往金属条两端施加频率为ω的电流，那么在焦耳热的作用下该金属条将产生频率为2ω的温升，由于金属条一般表现出正电阻温度系数，这将导致其电阻值也产生频率为2ω的波动，这个频率为2ω的电阻与频率为ω的电流耦合将产生一个在频率为3ω的小电压信号V3ω。该小信号电压的幅值与待测材料的热导率有关，因而检测该电压信号后通过相关计算，就可求出待测材料的热导率K s。
技术参数
温度范围100K~400K（可拓展到高温）
测量对象绝缘块材，绝缘薄膜，导电薄膜
测定精度（热导率）±10%
适合氛围真空或者大气
长x宽：10x10~20x20mm2
样品尺寸
厚度：10nm~10um
其他注意事项导电薄膜表面要非常光滑，绝缘层不漏电
应用
本测试系统广泛应用于辅助各种功能薄膜材料的研究与开发，其涵盖范围包括高等院校及科研院所、集成电路散热材料、航空航天材料、热电材料与器件、信息存储与光电器件。
硅热导率测量值与文献值的比较
材料的导热率 傅力叶方程式： Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量，W；K: 导热率，W/mk；A：接触面积；d: 热量传递距离；△T：温度差；R: 热阻值 导热率K是材料本身的固有性能参数，用于描述材料的导热能力。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的，只是跟材料本身的成分有关系。所以同类材料的导热率都是一样的，并不会因为厚度不一样而变化。 将上面两个公式合并，可以得到 K=d/R。因为K值是不变的，可以看得出热阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚，热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料，会发现很多导热材料的热阻值R，同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成，相应会有非线性变化。厚度增加，热阻值一定会增大，但不一定是完全成正比的线性关系，可能是更陡的曲线关系。 根据R=A△T/Q这个公式，理论上来讲就能测试并计算出一个材料的热阻值R。但是这个公式只是一个最基本的理想化的公式，他设定的条件是：接触面是完全光滑和平整的，所有热量全部通过热传导的方式经过材料，并达到另一端。实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值，应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同，就会产生不同的接触面热阻值，也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件，就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候，选用多大的接触面积A，多大的热量值Q，以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料，而得出的结果，才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值，并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样，很多参数是无法真正的量化的，只是一个
热阻及热导率测试方法 范围 本方法规定了导热材料热阻和热导率的测试方法。本方法适用于金属基覆铜板热 阻和导热绝缘材料热阻和热导率的测试。 术语和符号 术语 热触热阻 contact resistance 是测试中冷热两平面与试样表面相接触的界面产生热流量所需的温差。接触热阻 的符号为R I 面积热流量areic heat flow rate 指热流量除以面积。 符号 下列符号适用于本方法。 λ：热导率，W/（m﹒K）； A：试样的面积，m 2 ； H：试样的厚度，m； Q：热流量，W 或者 J/s； q：单位面积热流量，W/ m 2 ； R：热阻，（K﹒m 2 ）/W。 原理 本方法是基于测试两平行等温界面中间厚度均匀试样的理想热传导。 试样两接触界面间的温 度差施加不同温度，使得试样上下两面形成温度梯度，促使热流量全部垂直穿过试样测试表 面而没有侧面的热扩散。 使用两个标准测量块时本方法所需的测试： T1＝高温测量块的高温，K； T2＝高温测量块的低温，K； T3＝低温测量块的高温，K； T4＝低温测量块的低温，K； A＝测试试样的面积，m 2 ； H＝试样的厚度，m。 基于理想测试模型需计算以下参数： T H：高温等温面的温度，K； T C：低温等温面的温度，K； Q：两个等温面间的热流量 热阻：两等温界面间的温差除以通过它们的热流量，单位为（K﹒m 2 ）/W； 热导率：从试样热阻与厚度的关系图中计算得到，单位为W/(m.K)。
接触热阻存在于试样表面与测试面之间。 接触热阻随着试样表面特性和测试表面施加给试样 的压力的不同而显著变化。因此，对于固体材料在测量时需保持一定的压力，并宜对压力进 行测量和记录。热阻的计算包含了试样的热阻和接触热阻两部分。 试样的热导率可以通过扣除接触热阻精确计算得到。 即测试不同厚度试样的热阻，用热阻相 对于厚度作图，所得直线段斜率的倒数为该试样的热导率，在厚度为零的截取值为两个接触 界面的接触热阻。如果接触热阻相对于试样的热阻非常小时（通常小于1％），试样的热导率 可以通过试样的热阻和厚度计算得出。 通过采用导热油脂或者导热膏涂抹在坚硬的测试材料表面来减小接触热阻。 仪器 符合本测试方法的一般特点要求的仪器见图A.1和图A.2。 该套仪器增加测厚度及压力监测等 功能，加强了测试条件的要求来满足测试精度需要。 仪器测试表面粗糙度不大于0.5μm；测试表面平行度不大于5μm。 精度为1μm归零厚度测试仪（测微计、LVDT、激光探测器等）。 压力监测系统。 图A.1 使用卡路里测量块测试架 图A.2 加热器保护的测量架 热源可采用电加热器或是温控流体循环器。主热源部分必需采用有保护罩进行保护， 保护罩 与热源绝缘，与加热器保持±0.2K的温差。避免热流量通过试样时产生热量损失。无论使用 哪一种热源，通过试样的热流量可以用测量块测得。 热流量测量块由测量的温度范围内已知其热导率的高热导率材料组成。为准确测量热流量， 必须考虑热传导的温度灵敏度。推荐测量块材料的热导率大于50 W/(m.K)。 通过推算测量块温度与测试表面的线性关系（Fourier传热方程），确定测量块的热端和冷端 的表面温度。 冷却单元通常是用温度可控的循环流体冷却的金属块，其温度稳定度为±0.2 K。 试样的接触压力通过测试夹具垂直施加在试样的表面上，并保持表面的平行性和对位。
常用导体材料电阻率计 算公式 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
【电学部分】 1电流强度：I＝Q电量/t 2电阻：R=ρL/S 3欧姆定律：I＝U/R 4焦耳定律： ⑴Q＝I2Rt普适公式) ⑵Q＝UIt＝Pt＝UQ电量＝U2t/R (纯电阻公式) 5串联电路： ⑴I＝I1＝I2 ⑵U＝U1＋U2 ⑶R＝R1＋R2 ⑷U1/U2＝R1/R2 (分压公式) ⑸P1/P2＝R1/R2 6并联电路： ⑴I＝I1＋I2
⑵U＝U1＝U2 ⑶1/R＝1/R1＋1/R2 [ R＝R1R2/(R1＋R2)] ⑷I1/I2＝R2/R1(分流公式) ⑸P1/P2＝R2/R1 7定值电阻： ⑴I1/I2＝U1/U2 ⑵P1/P2＝I12/I22 ⑶P1/P2＝U12/U22 8电功： ⑴W＝UIt＝Pt＝UQ (普适公式) ⑵W＝I^2Rt＝U^2t/R (纯电阻公式) 9电功率： ⑴P＝W/t＝UI (普适公式) ⑵P＝I2^R＝U^2/R (纯电阻公式) 电流密度的问题：一般说铜线的电流密度取6A/mm2，铝的取 4A，考虑到大电流的趋肤效应，越大的电流取的越小一些，100A
以上一般只能取到左右，另外还要考虑输电线路的线损，越长取的也要越小一些。 计算所有关于电流，电压，电阻，功率的计算公式 1、串联电路电流和电压有以下几个规律：（如：R1，R2串联） ①电流：I=I1=I2（串联电路中各处的电流相等） ②电压：U=U1+U2（总电压等于各处电压之和） ③电阻：R=R1+R2（总电阻等于各电阻之和）如果n个阻值相同的电阻串联，则有R总=nR 2、并联电路电流和电压有以下几个规律：（如：R1，R2并联） ①电流：I=I1+I2（干路电流等于各支路电流之和） ②电压：U=U1=U2（干路电压等于各支路电压） ③电阻：（总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数和）或。 如果n个阻值相同的电阻并联，则有R总= R 注意：并联电路的总电阻比任何一个支路电阻都小。 电功计算公式：W=UIt（式中单位W→焦(J)；U→伏(V)；I→安(A)；t→秒）。
常用材料的导热系数表
材料的导热率 傅力叶方程式： Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量，W；K: 导热率，W/mk；A：接触面积；d: 热量传递距离；△T：温度差；R: 热阻值 导热率K是材料本身的固有性能参数，用于描述材料的导热能力。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的，只是跟材料本身的成分有关系。所以同类材料的导热率都是一样的，并不会因为厚度不一样而变化。 将上面两个公式合并，可以得到 K=d/R。因为K值是不变的，可以看得出热阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚，热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料，会发现很多导热材料的热阻值R，同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成，相应会有非线性变化。厚度增加，热阻值一定会增大，但不一定是完全成正比的线性关系，可能是更陡的曲线关系。 根据R=A△T/Q这个公式，理论上来讲就能测试并计算出一个材料的热阻值R。但是这个公式只是一个最基本的理想化的公式，他设定的条件是：接触面是完全光滑和平整的，所有热量全部通过热传导的方式经过材料，并达到另一端。 实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值，应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同，就会产生不同的接触面热阻值，也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件，就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候，选用多大的接触面积A，多大的热量值Q，以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料，而得出的结果，才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值，并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样，很多参数是无法真正的量化的，只是一个“模糊”的数学概念。通过这样的“模糊”数据，人们可以将一些数据量化，而用于实际应用。此处所说的“模糊” 是数学术语，“模糊”表示最为接近真实的近似。 而同样道理，根据热阻值以及厚度，再计算出来的导热率K值，也并不完全是真正的导热率值。 傅力叶方程式，是一个完全理想化的公式。我们可用来理解导热材料的原理。但实际应用、热阻计算是复杂的数学模型，会有很多的修正公式，来完善所有的环节可能出现的问题。 总之： a. 同样的材料，导热率是一个不变的数值，热阻值是会随厚度发生变化的。 b. 同样的材料，厚度越大，可简单理解为热量通过材料传递出去要走的路程越多，所耗的时间也越多，效能也越差。 c. 对于导热材料，选用合适的导热率、厚度是对性能有很大关系的。选择导热率很高的材料，但是厚度很大，也是 性能不够好的。最理想的选择是：导热率高、厚度薄，完美的接触压力保证最好的界面接触。 d、使用什么导热材料给客户，理论上来讲是很困难的一件事情。很难真正的通过一些简单的数据，来准确计算出选 用何种材料合适。更多的是靠测试和对比，还有经验。测试能达到产品要求的理想效果，就是最为合适的材料。 e、不专业的用户，会关注材料的导热率；专业的用户，会关注材料的热阻值。
材料的导热 傅力叶方程式： Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量，W；K: 导热率，W/mk；A：接触面积；d: 热量传递距离；△T：温度差；R: 热阻值 导热率K是材料本身的固有性能参数，用于描述材料的导热能力。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的，只是跟材料本身的成分有关系。所以同类材料的导热率都是一样的，并不会因为厚度不一样而变化。 将上面两个公式合并，可以得到 K=d/R。因为K值是不变的，可以看得出热阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚，热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料，会发现很多导热材料的热阻值R，同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成，相应会有非线性变化。厚度增加，热阻值一定会增大，但不一定是完全成正比的线性关系，可能是更陡的曲线关系。 根据R=A△T/Q这个公式，理论上来讲就能测试并计算出一个材料的热阻值R。但是这个公式只是一个最基本的理想化的公式，他设定的条件是：接触面是完全光滑和平整的，所有热量全部通过热传导的方式经过材料，并达到另一端。 实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值，应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同，就会产生不同的接触面热阻值，也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件，就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候，选用多大的接触面积A，多大的热量值Q，以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料，而得出的结果，才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值，并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样，很多参数是无法真正的量化的，只是一个“模糊”的数学概念。通过这样的“模糊”数据，人们可以将一些数据量化，而用于实际应用。此处所说的“模糊” 是数学术语，“模糊”表示最为接近真实的近似。 而同样道理，根据热阻值以及厚度，再计算出来的导热率K值，也并不完全是真正的导热率值。 傅力叶方程式，是一个完全理想化的公式。我们可用来理解导热材料的原理。但实际应用、热阻计算是复杂的数学模型，会有很多的修正公式，来完善所有的环节可能出现的问题。 总之： a. 同样的材料，导热率是一个不变的数值，热阻值是会随厚度发生变化的。 b. 同样的材料，厚度越大，可简单理解为热量通过材料传递出去要走的路程越多，所耗的时间也越多，效能也越差。 c. 对于导热材料，选用合适的导热率、厚度是对性能有很大关系的。选择导热率很高的材料，但是厚度很大，也是
常用金属导体在20℃时的电阻率材料电阻率(Ωm) (1)1.65×10-8 (2)1.75×10-8 (3)2.40×10-8 (4)2.83×10-8 (55.48×10-8 (6)9.78×10-8 (7)2.22×10-7 (8)4.4×10-7 (9)9.6×10-7 (10)5.0×10-7 (11)镍铬1.0×10-6 (12)铁铬1.4×10-6 (13)铝镍铁合金1.6×10-6 可以看出金属的电阻率较小，合金的电阻率较大，非金属和一些更大，而的电阻率极大。锗、硅、硒、氧化铜、硼等的电阻率比绝缘体小而比金属大，我们把这类材料叫做(semiconductors)。 另外一些金属和非金属的电阻率 金属温度（0℃）ρ(×10-8Ωm),αo(×10-3) 锌20 5.94.2
铝（软）202.754.2 铝（软）–781.64 (8～13)×10-6 阿露美尔合金20331.2 锑038.75.4 铱206.53.9 铟08.25.1 殷钢0752 锇209.54.2 镉207.44.2 钾206.95.1① 钙204.63.3 金202.44.0 银201.624.1 铬（软）2017 镍铬合金（克露美尔）—70—110.11—.54钴a06.376.58 康铜—50–.04–1.01 锆30494.0 黄铜–5—71.4–2 水银094.080.99 水银2095.8
锶030.33.5 青铜–13—180.5 铯20214.8 铋201204.5 铊20195 钨205.55.3 钨100035 钨3000123 钨–783.2 钽20153.5 金属温度（0℃）ραo,100杜拉铝（软）—3.4 铁（纯）209.86.6 铁（纯）–784.9 铁（钢）—10—201.5—5 铁（铸）—57—114 铜（软）201.724.3 铜（软）1002.28 铜（软）–781.03 铜（软）–1830.30 钍20182.4
导热率K是材料本身的固有性能参数，用于描述材料的导热能力，又称为热导率，单位为W/mK。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的，只是跟材料本身的成分有关系。不同成分的导热率差异较大，导致由不同成分构成的物料的导热率差异较大。单粒物料的导热性能好于堆积物料。 稳态导热：导入物体的热流量等于导出物体的热流量，物体内部各点温度不随时间而变化的导热过程。 非稳态导热：导入和导出物体的热流量不相等，物体内任意一点的温度和热含量随时间而变化的导热过程，也称为瞬态导热过程。 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,°C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表示，单位为瓦/米·度 导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。 通常把导热系数较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料），而把导热系数在0.05瓦/米摄氏度以下的材料称为高效保温材料。 导热系数高的物质有优良的导热性能。在热流密度和厚度相同时，物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。锅炉炉管在未结水垢时，由于钢的导热系数高，钢管的内外壁温差不大。而钢管内壁温度又与管中水温接近，因此，管壁温度（内外壁温度平均值）不会很高。但当炉管内壁结水垢时，由于水垢的导热系数很小，水垢内外侧温差随水垢厚度增大而迅速增大，从而把管壁金属温度迅速抬高。当水垢厚度达到相当大（一般为1~3毫米）后，会使炉管管壁温度超过允许值，造成炉管过热损坏。对锅炉炉墙及管道的保温材料来讲，则要求导热系数越低越好。一般常把导热系数小于0。8x10的3次方瓦/（米时·摄氏度）的材料称为保温材料。例如石棉、珍珠岩等填缝导热材料有:导热硅脂、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片、导热双面胶等。主要作用是填充发热功率器件与散热片之间的缝隙，通常看似很平的两个面,其实接触面积不到40%,又因为空气是不良导热体，导热系数仅有0.03w/m.k,填充缝隙就是用导热材料填充缝隙间的空气. 傅力叶方程式： Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量，W K: 导热率，W/mk A：接触面积 d: 热量传递距离△T：温度差 R: 热阻值 将上面两个公式合并，可以得到 K=d/R。因为K值是不变的，可以看得出热阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚，热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料，会发现很多导热材料的热阻值R，同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成，相应会有非线性变化。厚度增加，热阻值一定会增大，但不一定是完全成正比的线性关系，可能是更陡的曲线关系。 实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值，应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同，就会产生不同的接触面热阻值，也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件，就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候，选用多大的接触面积A，多大的热量值Q，以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料，而得出的结果，才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值，并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样，很多参数是无法真正的量化的，只是一个“模糊”的数学概念。通过这样的“模糊”数据，人们可以将一些数据量化，而用于实际应用。此处所说的“模糊” 是数学术语，“模糊”表示最为接近真实的近似。
本科实验报告 （阅） 实验名称:非良导体热导率的测量 实验11 非良导体热导率的测量 【实验目的和要求】 1.学习热学实验的基本知识和技能。 2.学习测量非良导体热导率的基本原理的方法。 3.通过做物体冷却曲线和求平衡温度下物体的冷却速度，加深对数据图事法的理解。 【实验原理】 热可以从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分，这种现象叫做热传递。热传递的方式有三种：传导，对流和辐射。 设有一厚度为l、底面积为S?的薄圆板，上下两底面的温度T ，T 不相等，且T1＞T2，则有热量自上底面传乡下底面（见图1），其热量可以表示为 (1)
图1 测量样品 式中，为热流量，代表单位时间里流过薄圆板的热量；为薄圆板内热流方向上的温度梯度，式中的负号表示热流方向与温度梯度的方向相反；为待 测薄圆板的热导率。 如果能保持上下两底面的温度不变（稳恒态）和传热面均匀，则，于是 (2) 得到 关键1.使待测薄圆板中的热传导过程保持为稳恒态。 2.测出稳恒态时的。 1．建立稳恒态 为了实现稳恒态，在试验中将待测薄圆板B置于两个直径与B相同的铝圆柱A,C 之间，且紧密接触，（见图2）。 图二测量装置 C内有加热用的电阻丝和用作温度传感器的热敏电阻，前者被用来做热源。首先，
可由EH-3数字化热学实验仪将C内的电阻丝加热，并将其温度稳定在设定的数值上。B的热导率尽管很小，但并不为零，固有热量通过B传递给A，使A的温度T A逐渐升高。当T A高于周围空气的温度时，A将向四周空气中散发热量。由于C的温度恒定，随着A的温度升高，一方面通过C通过B流向A的热流速率不断减小，另一方面A向周围空气中散热的速率则不断增加。当单位时间内A 从B 获得的热量等于它向周围空气中散发的热量时，A的温度就稳定不变了。 2.测量稳恒态时的 因为流过B的热流速率就是A从B获的热量的速率，而稳恒态时流入A的热流速率与它散发的热流速率相等，所以，可以通过测A在稳恒态时散热的热流速率来测。当A单独存在时，它在稳恒温度下向周围空气中散热的速率为 （3） 式中，为A的比热容；为A的质量；n=T=T2成为在稳恒温度T2时的冷却速度。 A的冷却速度可通过做冷却曲线的方法求得。具体测法是：当A、C已达稳恒态后，记下他们各自的稳恒温度T2,T1后，再断电并将B移开。使A，C接触数秒钟，将A 的温度上升到比T2高至某一个温度，再移开C，任A自然冷却，当TA降到比T2约高To（℃）时开始计时读数。以后每隔一分钟测一次TA,直到TA 低于T2约To（℃）时止。测的数据后，以时间t为横坐标，以TA为纵坐标做A 的冷却曲线，过曲线上纵坐标为T2的点做此曲线的切线，则斜率就是A在TA 的自然冷却速度，即 （4） 于是有（5） 但要注意，A自然冷却时所测出的与试验中稳恒态时A散热是的热流速率是不同的。因为A在自然冷却时，它的所有外表面都暴漏在空气中，都可以 散热，而在实验中的稳恒态时，A的上表面是与B接触的，故上表面是不散热的。由传热定律：物体因空气对流而散热的热流速率与物体暴露空气中的表面积成正比。设A的上下底面直径为d，高为h，则有 （6）
保温隔热绝热材料性能检测导热系数检测方法 1.1 适用范围及引用标准 1.1.1 适用范围 本规程规定了保温、隔热、绝热材料导热系数的检测方法。本规程适用于保温、隔热、绝热材料干燥匀质试件导热2·K/W）的测定，且所系数（被测试件的热阻应大于0.1 m测定的结 果均为在给定平均温度和温差下试件的导热系数。 1.1.2 引用标准 下列标准所包含的条文，通过在本规程中引用而构成为本规程的条文。使用本规程的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 GB 4132 绝热材料名词术语 GB 10294-1988 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法 GB 10295-1988 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法 GB 10296-1988 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 圆管法 GB 10297-1988 非金属固体材料导热系数的测定方法 热线法 护热平板法塑料导热系数试验方法GB 3399-1982
1.2 仪器设备 1.2.1 量具 应符合GB6342规定。 1.2.2 导热系数仪 导热系数仪根据测试原理不同可分为分为防护热板式导热系数仪、热流计式导热系数仪等。防护热板式导热系数仪示意图见图1.1，热流计式导热系数仪示意图见图1.2。
置装件试a双 b 单试件装置 1.1 防护热板式导热系数仪示意图图 a 单热流计不对称布置
b 双热流计对称布置 式件c 双试装置热流计式导热系数仪示意图图1.2 检测程序1.3 导热系数检测程EPS）1.3.1 绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料（序GB 10294-1988GB 或按测数热板EPS导系的定。GB 10294-1988规定进行；仲裁方法时执行10295-1988．1.3.1.1 状态调节 样品应去掉表皮并自生产之日起在自然条件下放置28d后进测试。样品按GB/T 2918-1998中23/50二级环境条件进行，在温度（23±2）℃，相对湿度45％～55％的条件下进行16 h状态调节。 1.3.1.2厚度测量
常见材料的导热率部分常见物质导热率 材质 导热率 (W·m?1·K?1) 测试温度 (K) 293K时的电导率 (Ω?1·m?1) 备注 0.17-0.22967.143E-15- 5.0E-14 7.143E-15- 5.0E-14通俗写法 是7.143×10?15– 5.0×10?14 0.024-0.0457273-6002.95-7.83×10? 15 (N,21%O+0.93%Ar+0.04%C O2) (1个标准大气压) 0.1-0.2293-300 237293 3.7E+07 170-190293 1.0E-11 26-40293 1.0E-12 0.507300 0.016-0.0179298-300 218-300293 1.0E-12 7.97300 125296 1.5-1.6E+07(Cu63%, Zn37%) 109-121293-296 1.3-1.6E+07(Cu70%, Zn30%) 0.15-1.31293-298 26-50293-296 5.9-7.1E+06 Sn25%[11] (Cu89%, Sn11%)[23] 0.45394 0.0146-0.017 8 273-300
3180 -3500300-320(Lateral)10?16 - (Ballistic)108SWNT(length:2.6 μm, diameter:1.7?nm) 0.8-1.28293~61-67%CaO 4012935.92-5.96E+07 0.04-0.07293 0.03293 1000273-293 1.0E-16(98.1%的宝石钻) (C+0.1%氮) 2200293 1.0E-1699%的C12和1%的C13 3320-4100293(Lateral)10?16 - (Ballistic)108 C12同位素>99.9% 0.03-0.1398-298 1.0E-14 0.045293 56300 0.8-1.429310?14-10?10氧化亚铁含量<1% 0.29293 318293-2984.52-4.55E+07 1.73-3.98(72%SiO2+14%Al2O3+4%K2O) 4840-5300293 1.0E+08 1.6- 2.22273-293 80300 34.6-80.4293-127 3 9.9-10.4E+06 55298(Fe+(2-4)%C+(1-3)%Si)
常用金属导体在20℃时的电阻率 材料电阻率(Ω m) (1)银 1.65 × 10-8 (2)铜 1.75 × 10-8 (3)金 2.40×10-8 (4)铝 2.83 × 10-8 (5钨 5.48 × 10-8 (6)铁9.78 × 10-8 (7)铂 2.22 × 10-7 (8)锰铜 4.4 × 10-7 (9)汞9.6 × 10-7 (10)康铜 5.0 × 10-7 (11)镍铬合金 1.0 × 10-6 (12)铁铬铝合金1.4 × 10-6 (13) 铝镍铁合金1.6 × 10-6 可以看出金属的电阻率较小，合金的电阻率较大，非金属和一些金属氧化物更大，而绝缘体的电阻率极大。锗、硅、硒、氧化铜、硼等的电阻率比绝缘体小而比金属大，我们把这类材料叫做半导体(semiconductors)。
另外一些金属和非金属的电阻率 金属温度（0℃）ρ(×10-8Ω m), αo(×10-3) 锌 20 5.9 4.2 铝（软） 20 2.75 4.2 铝（软）–78 1.64 石墨(8～13)×10-6 阿露美尔合金 20 33 1.2 锑 0 38.7 5.4 铱 20 6.5 3.9 铟 0 8.2 5.1 殷钢 0 75 2 锇 20 9.5 4.2 镉 20 7.4 4.2 钾20 6.9 5.1① 钙 20 4.6 3.3 金 20 2.4 4.0 银 20 1.62 4.1 铬（软） 20 17 镍铬合金（克露美尔）— 70—110 .11—.54 钴a 0 6.37 6.58 康铜— 50 –.04–1.01 锆 30 49 4.0 黄铜– 5—7 1.4–2 水银 0 94.08 0.99 水银 20 95.8 锡 20 11.4 4.5 锶 0 30.3 3.5 青铜– 13—18 0.5 铯 20 21 4.8 铋 20 120 4.5 铊 20 19 5 钨 20 5.5 5.3 钨 1000 35 钨 3000 123 钨–78 3.2 钽 20 15 3.5 金属温度（0℃）ραo , 100
东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名 张沐天 班级学号 实验日期 批改教师 课程名称 材料性能测试实验 批改日期 实验名称 材料导热系数测试实验 报告成绩 一、实验目的 1.掌握稳态法测定材料导热系数的方法 2.了解材料导热系数与温度的关系 二、实验原理 不同温度的物体具有不同的内能，同一个物体不同区域如果温度不等，则他们热运动的激烈程度不同，含有的内能也不相同。这些不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量。由于材料相邻部分之间的温差而发生的能量迁移称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等一系列技术领域中，材料的导热性都是一个重要的问题。 1.材料的导热性及电导率 材料的导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为1K ，在1s 钟内，通过1m2面积传递的热量，单位为 W/(m ·K)，也叫热导率。热导率λ由简化的傅里叶导热定律 dx dT -q λ 决定。 2.热传导的物理机制 热传导过程就是材料的能量传输过程。在固体中能量的载体可以有自由电子、声子和光子，因此固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热。 1）电子和声子导热 纯金属中主要为电子导热，在合金、半金属或半导体、绝缘体的变化过程中，声子导热所占比例逐渐增大。 2）光子导热 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其中具有较强热效应的是波长在间的可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程称为热辐射。 3.影响导热系数的因素 1）温度 金属以电子导热为主，电子在运动过程中将受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量传输的阻力。 一般来说，纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低；而今导热系数一般随温度的升高而升高；玻璃体的导热系数则一般随温度的降低而减小。 2）原子结构 物质的电子结构对热传导有较大影响。具有一个价电子的，导电性能良好的、德拜温度较
材料导热系数的测量 导热系数是反映材料的导热性能的重要参数之一，在工程技术方面是必不可少的。所以对导热系数的研究和测量就显得很有必要。金属材料的导热起主要作用的是自由电子的运动，无机非金属材料的导热则是通过晶格结构的振动（声子）来实现。目前测量导热系数的方法都是建立在傅立叶导热定律的基础上的，分为稳态法和动态法。本实验介绍用稳态法，稳态法是通过热源在样品内部形成稳定的温度分布后，再进行测量的方法。 一、实验目的 1. 了解稳态法测无机非金属材料的导热系数的方法； 2. 掌握KY-DRX-RW 型导热系数测试仪的硬件和软件操作规程； 3. 利用测试仪测量石英、陶瓷两种材料的导热系数。 二、实验仪器 上海实博实业有限公司生产的KY-DRX-RW 型导热系数测试仪，主要由测试头、电器测控系统、冷却恒温水槽、计算机系统组成。各部件接线如图所示。 测试头由加热器、连接样品的上下热极、冷却器、测量热电偶、加压系统组成。加热器采用不锈钢材料加工而成，内装内热式加热器，由高精度数显温控表控温，提供稳定的热极温度。上下热极由不锈钢制成，表面安装有热电偶，热极的作用是传递热量和测量热量。冷却器也是不锈钢材料加工而成，内有水槽，通过管导与外恒温水槽相连，利用外恒温水槽与冷却器的水循环，在冷却器中形成第二恒温场，提供上热极冷端稳定温度。测量热电偶由4支组成，分别测量上下热极表面的4个温度点，利用温度梯度计算热流量。加压系统用于消除试样与热 升降手柄 电脑 显示器 水管 通讯线缆 电源220V 恒温槽 测试主机背面 电器测控系统
极的热阻。 三、实验原理 当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现象叫热传导现象。对于各向同性的物质，在稳定传热状态下有傅立叶定律： t S dx dT Q ??-=?λ 比例系数称导热系数，其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦·米-1·开－1（W·m -1·K -1）。 本实验采用的是稳态法测量导热系数。试样被夹在两金属块之间，加压系统是经由一个升降压板和弹簧加压。加热单元是由铜或是其他高导热性的材料构成的，且包含有套筒或是相似的加热线圈。它用热绝缘材料（环氧FR －4）与周围的保温加热器相隔离。绝缘材料为5mm 厚度。保温加热器不受压力，以确保所有的测量能量都传到高测量棒上。测量棒是由高热导性材料构成，并且具有平行的工作表面。冷却单元是一个金属盒，由恒温池对其冷却。实验时，一方面加热单元直接将热量通过样品下平面传入样品，另一方面冷却单元使传入样品的热量不断由样品的上平面散出，当传入的热量等于散出的热量时样品处于稳定导热状态，这时样品的上下平面的温度分别为一定的数值。此时，通过样品厚度、半径、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。 具体计算过程如下： 1、流过待测样品的热流 )(*2112 12 T T Q d A -*= λ )(*4334 34 T T Q d A -*= λ Q 12 ：流过下热极的热流，W Q 34 ：流过上热极的热流，W λ 12 ：下热极材料的热导，W/m·K λ34：上热极材料的热导，W/m·K T T 2 1 -：下热极两个热电偶的温差 T T 4 3 -：上热极两个热电偶的温差 A ：垂直于热流方向的热极截面积，m 2 d ：热极两温差电偶的距离，m 公式中 λ12 ＝ λ34 ＝ 18.5 W/m·K；d = 0.05 m ；热极直径为30mm
热传导计算 随着微电子技术的飞速发展，芯片的尺寸越来越小，同时运算速度越来越快，发热量也就越来越大，如英特尔处理器3.6G 奔腾4终极版运行时产生的热量最大可达115W ，这就对芯片的散热提出更高的要求。设计人员就必须采用先进的散热工艺和性能优异的散热材料来有效的带走热量，保证芯片在所能承受的最高温度以内正常工作。 如图 1所示，目前比较常用的一种散热方式是使用散热器，用导热材料和工具将散热器安装于芯片上面，从而将芯片产生的热量迅速排除。本文介绍了根据散热器规格、芯片功率、环境温度等数据，通过热传导计算来求得芯片工作温度的方法。 芯片的散热过程 由于散热器底面与芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。由于空气是热的不良导体，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙，增大接触面积，必须使用导热性能好的导热材料来填充，如导热胶带、导热垫片、导热硅酯、导热黏合剂、相转变材料等。如图2所示，芯片发出的热量通过导热材料传递给散热器，再通过风扇的高速转动将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走到周围的空气中，强制将热量排除，这样就形成了从芯片，然后通过散热器和导热材料，到周围空气的散热通路。 表征热传导过程的物理量
在图3的导热模型中，达到热平衡后，热传导遵循傅立叶传热定律： Q="K"·A·(T1-T2)/L (1) 式中：Q为传导热量（W）；K为导热系数（W/m℃）；A 为传热面积（m2）；L为导热长度（m）。(T1-T2)为温度差。 热阻R表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，表示为： R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A (2) 对于单一均质材料，材料的热阻与材料的厚度成正比；对于非单一材料，总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而增大，但不是纯粹的线形关系。 对于界面材料，用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适，热阻抗定义为其导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积，表示如下： Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A (3) 表面平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响，而这些因素又与实际应用条件有关，所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件。导热系数指物体在单位长度上产生1℃的温度差时所需要的热功率，是衡量固体热传导效率的固有参数，与材料的外在形态和热传导过程无关，而热阻和热阻抗是衡量过程传热能力的物理量。 芯片工作温度的计算 如图4的热传导过程中，总热阻R为： R="R1"+R2+R3 (4) 式中：R1为芯片的热阻；R2为导热材料的热阻；R3为散热器的热阻。导热材料的热阻R2为： R2＝Z/A (5) 式中：Z为导热材料的热阻抗，A为传热面积。芯片的工作温度T2为： T2＝T1+P×R (6)
高阻计法测定高分子材料体积电阻率和表面电阻率 2010年03月07日10:37 admins 学习时间：20分钟评论 0条高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以 及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。最基本的是电导性能和介电性能，前者包括电导(电导率γ，电阻率ρ=1/γ)和电气强度(击穿强度Eb)；后者包括极化(介电常数εr)和介质损耗(损耗因数tg δ)。共四个基本参数。 种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。就导电性而言，高分子材料可以是绝缘体、半导体和导体，如表1所示。多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高，加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。高分子绝缘材料必须具有足够的绝缘电阻。绝缘电阻决定于体积电阻与表面电阻。由于温度、湿度对体积电阻率和表面电阻率有很大影响，为满足工作条件下对绝缘电阻的要求， 必须知道体积电阻率与表面电阻率随温度、湿度的变化。 表1 各种材料的电阻率范围 材料电阻率(Ω·m) 材料电阻率(Ω·m) 超导体导体≤10-810-8～10-5半导体绝缘体10-5～107 107～1018 除了控制材料的质量外，测量材料的体积电阻率还可用来考核材料的均匀性、检测影响材料电性能的 微量杂质的存在。当有可以利用的相关数据时，绝缘电阻或电阻率的测量可以用来指示绝缘材料在其他方面的性能，例如介质击穿、损耗因数、含湿量、固化程度、老化等。表2为高分子材料的电学性能及其研 究的意义。 表2 高分子材料的电学性能及测量的意义 电学性能电导性能 ①电导（电导率γ，电阻率ρ=1/γ） ②电气强度（击穿强度Eb） 介电性能 ③极化（介电常数εr） ④介电损耗（损耗因数tanδ） 测量的意义实际意义 ①电容器要求材料介电损耗小，介电常数大，电气强度高。 ②仪表的绝缘要求材料电阻率和电气强度高，介电损耗低。 ③高频电子材料要求高频、超高频绝缘。 ④塑料高频干燥、薄膜高频焊接、大型制件的高频热处理要求材料 介电损耗大。 ⑤纺织和化工为消除静电带来的灾害要求材料具适当导电性。理论意义研究聚合物结构和分子运动。 1 目的要求 了解超高阻微电流计的使用方法和实验原理。 测出高聚物样品的体积电阻率及表面电阻率，分析这些数据与聚合物分子结构的内在联系。 2 原理 名词术语 1) 绝缘电阻：施加在与试样相接触的二电极之间的直流电压除以通过两电极的总电流所得的商。它取决于体积电阻和表面电阻。
实验四、稳态平板法测保温绝热材料的热导率λ 一、 实验目的 1、 巩固和深化稳态导热过程的基本理论，学习用平板法测绝热材料热导率的实验方法 和技能 2、 测定实验材料的热导率 3、 确定试验材料热导率与温度的变化关系 二、 实验原理 热导率是表征材料导热能力的物理量。对不同的材料，热导率各不相同；对同种材料，热导率会随温度、压力、含湿量、物质的结构和密度等因素而不同。各种材料的热导率都是采用实验方法来测定的，如果分别考虑不同因素的影响，就需要对各种因素加以试验，往往不能只在一种试验设备上进行。稳态平板法是应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料热导率的方法，可以用来测定材料的热导率及其与温度的变化关系 实验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q 和平板两面的温差Δt 成正比，与平板的厚度成反比δ，与热导率λ成正比的关系来设计的 由一维稳态理论，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长与壁宽）的稳态导热量为 δ λt A Q ?= w 测试时，如果能够测得平板两面的温差Δt=t R -t L 、平板厚度δ、垂直热流方向的导热面积A 和通过平板的热流量Q ，即可根据下式计算得出热导率λ： A t Q δ λ?= W/m.℃ 上式计算得出的热导率是当时平均温度下材料的热导率值，此平均温度为 )t t (2 1 t L R += ℃ 在不同的温度和温差条件下测出相应的热导率λ，将λ值标在λ—t 坐标图内，就可得出λ=f(t )的关系曲线 三、 实验装置及测量仪表 稳态平板法测绝热材料热导率的实验装置如图1和图2所示。 被试验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积300x300[mm 2 ],实际导热计算面积A 为 200x200[mm 2 ],板的厚度为δ[mm]。平板试件被夹紧在加热器的上下热面和上下水套的冷面
常见金属电阻率 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-
常用金属导体在20℃时的电阻率材料电阻率(Ωm) (1)1.65×10-8 (2)1.75×10-8 (3)2.40×10-8 (4)2.83×10-8 (55.48×10-8 (6)9.78×10-8 (7)2.22×10-7 (8)4.4×10-7 (9)9.6×10-7 (10)5.0×10-7 (11)镍铬1.0×10-6 (12)铁铬1.4×10-6 (13)铝镍铁合金1.6×10-6 可以看出金属的电阻率较小，合金的电阻率较大，非金属和一些更大，而的电阻率极大。锗、硅、硒、氧化铜、硼等的电阻率比绝缘体小而比金属大，我们把这类材料叫做(semiconductors)。 另外一些金属和非金属的电阻率 金属温度（0℃）ρ(×10-8Ωm),αo(×10-3)
锌20 5.94.2 铝（软）202.754.2 铝（软）–781.64 (8～13)×10-6 阿露美尔合金20331.2 锑038.75.4 铱206.53.9 铟08.25.1 殷钢0752 锇209.54.2 镉207.44.2 钾206.95.1① 钙204.63.3 金202.44.0 银201.624.1 铬（软）2017 镍铬合金（克露美尔）—70—110.11—.54钴a06.376.58 康铜—50–.04–1.01 锆30494.0 黄铜–5—71.4–2 水银094.080.99
水银2095.8 锡2011.44.5 锶030.33.5 青铜–13—180.5 铯20214.8 铋201204.5 铊20195 钨205.55.3 钨100035 钨3000123 钨–783.2 钽20153.5 金属温度（0℃）ραo,100杜拉铝（软）—3.4 铁（纯）209.86.6 铁（纯）–784.9 铁（钢）—10—201.5—5 铁（铸）—57—114 铜（软）201.724.3 铜（软）1002.28 铜（软）–781.03 铜（软）–1830.30