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孔隙密度對材料熱傳導的影響

1/24/2014

 
 ​       隨著科技日新月異,各種科技產品都邁向輕薄短小及兼顧功能性的方向發展,功能性越多所需搭載的電子零組件就會越複雜,這種情況必然會產生一定的熱源,如果熱的累積無法有效的釋放,很可能造成功能故障或是零件的損壞,而一般熱的傳遞是透過在物體內部分子、原子和電子等微觀粒子的熱運動,在同一物質內從高溫處傳到低溫處的過程稱為導熱。在不導電的固體中,熱量的傳遞是通過晶格結構的振動,即原子、分子在平衡位置附近的振動來實現的。        
​        而固體中在不同密度下的熱傳導速率是否有差異,此次實驗就是研究密度對於熱導率的影響,本次實驗選用常見的洗衣粉作為樣品,利用特殊的製具,製具內填滿了粉末樣品,將感測器(Sensor)放置於樣品中,然後在樣品上方施以固定壓力,靜置一段時間後,再透過熱傳導係數儀HOT DISK TPS2500進行量測,如圖一,所有測試條件相同下,只改變粉末樣品施加壓力的大小,分別測試0~10471g不同重量壓力下的樣品熱傳導係數。
圖片
▲Powder sample (洗衣粉)
圖片
​​▲圖一  粉末樣品測試示意圖

【測試結果】
重量(g)
導熱係數(W/mK)
  00
0.1141
176
0.1234
471
0.1267
1741
0.1324
5471
0.1494
10471
0.1545
圖片
​▲圖二  壓力與熱導關係圖
        由測試結果能得知,熱導率隨著施加壓力的增大而升高,因粉末樣品受到壓力擠壓,粉末顆粒間的空氣間隙變少造成密度變高,圖二.施加重量與熱導關係圖,由關係圖的趨勢能發現,壓力導致密度的提高能有效地提升樣品的熱傳導值。
       而一般常見的IC封裝和電子零件,所使用的散熱的材料像是導熱材料或是介面導熱材料(導熱膠、導熱膏…等等),主要的功用就是用於填補兩種材料或零件接合或接觸,產生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞,減少熱傳遞的的阻抗,提高散熱性。由此實驗可得知,散熱材料的熱傳導速率要好,除了材質本身的導熱效果影響外,材料內密度高低,孔隙大小都是會影響到熱導的因素之一。
圖片
▲ HOT DISK TPS 2500 
       ​HOT DISK 熱傳導分析儀除了分析粉末的樣品外,還能分析固體、液體、膏狀..等不同形態的樣品進行測試,符合熱傳導標準檢驗方法ISO 22007-2,可以迅速並正確的量測各種不同性質(例如金屬、陶瓷、礦石、塑膠…等)材料的導熱率、熱擴散率和熱容,的熱傳導的測量。

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