熱傳導率量測：穩態測試（Steady State）與瞬態測試（Transient）的原理及方法比較

2025/01/06

熱傳導率量測：穩態測試（Steady State）與瞬態測試（Transient）的原理及方法比較

熱傳導率/熱傳導係數（Thermal Conductivity）描述了材料傳遞熱能的能力。無論是隔熱材料、熱傳遞流體、相變材料，還是熱界面材料(Thermal Interface Material; TIM)，熱傳導率都扮演著至關重要的角色。不同的測量方法各有其優缺點，且適用於不同的材料與條件。

圖 1 一個平面的熱量傳遞，單位為W/(m*K)

穩態與瞬態：兩種熱傳導率測量方式

熱傳導率測量方法可大致分為兩大類：穩態（Steady-State）與瞬態（Transient）。穩態法會對樣品施加穩定的熱流，並測量樣品兩端的溫差；而瞬態法則是對樣品施加熱脈衝或瞬間的熱源，並測量樣品隨時間的溫度變化。這兩種方法各有其優勢與局限性，取決於材料的類型、樣品大小、測試條件及精度要求。

穩態測試法的特點

穩態測試方法，像是常見的熱板法（Guarded Hot Plate Method），在一些應用中仍被視為傳統的標準方法。它基於傅立葉熱傳導定律，通過熱流、溫度梯度與熱導率之間的關係來進行測量。然而，穩態測試也存在一些缺點：
• 需要較大的樣品與精確的樣品準備，並且測試時間較長。
• 為破壞性的，且無法用於液體或高熱傳導率材料。
• 容易受到輻射和對流熱損失，及樣品厚度影響，測量誤差較大。

瞬態測試法的特點

過去三十年來，瞬態測試方法因其靈活性與高效性而越來越受到青睞。瞬態法是基於熱擴散方程(heat diffusion equation)，描述熱量在材料中隨時間的傳播方式。瞬態測試的優勢包括：
• 可以測量小型樣品、液體、粉末、膏狀物及高熱導率材料。
• 測試時間短，通常在幾分鐘或幾秒鐘內完成，不需樣品前處理且測試過程中不會破壞樣品。
• 測試中更易考量熱損失與樣品幾何形狀的影響。
然而，瞬態測試也面臨一些挑戰：
• 需要較為複雜的數學分析與數據處理。
• 在某些材料上，測量準確度及精確度可能不如穩態測試法。
• 對於熱擴散率低或熱阻高的材料，測量難度較大。

C-Therm Trident平台：兼顧靈活性與精確度的解決方案

選擇合適的熱導率測量方法取決於具體的應用與材料性質。為了滿足不同需求，C-Therm推出了Trident平台，它結合了三種不同的瞬態測試方法，為用戶提供了靈活且準確的測量選擇。
C-Therm Trident平台包含三種模組化的瞬態測試方法：改良型瞬態平面源（MTPS）、瞬態線源（TLS）和瞬態平面源（TPS）。每種方法都具有其專用的感測器與配置，使用者可以根據樣品特性選擇最適合的測量方式。