熱傳導-TC Hot Disk TPS瞬態平面熱源法測試分析五大技巧

了解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：

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：

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。

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。

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。