簡介瞬態平面源法 (TPS)
想像一下掌握解開材料最深層熱秘密的鑰匙。瞬態平面源 (TPS) 方法是關鍵，它提供了一種強大且多功能的技術來測量材料傳導熱的能力，即其熱導率 (TC)。這種非破壞性方法不僅僅是測量 TC。它深入研究了熱傳遞的核心，深入了解了熱量流過材料的速度，這種特性稱為熱擴散率。
探索 TPS 方法的功能、應用以及相對於其他方法的獨特優勢可以揭示其多功能性。該技術的核心是TPS 感測器，它是一個雙螺旋圓盤，既可用作熱源，也可用作溫度計。透過施加短時間的熱量並仔細記錄其耗散，可以揭開材料熱行為的秘密。
然而，TPS 方法並不是萬能的解決方案。有各種可用的模組，從用於塊狀材料的標準模組到用於精密薄膜和塗層的薄膜模組。此外，TPS 方法有效地解決了測量在不同方向上表現出不同熱導率的各向異性材料的難題。
閱讀完本部落格後，您將全面了解 TPS 方法及其徹底改變熱管理方法的潛力。
熱導率及其意義
熱能的傳遞和轉換有著廣泛的應用，從蠟燭的柔和閃爍到焊接金屬部件的強烈熱量，從嘶嘶作響的電爐到複雜的電力電子設備。理解和量化熱傳遞及其相關特性對於設計和開發高效系統（從日常家用電器到尖端技術）至關重要。
熱導率定義了材料在受到溫度梯度時傳遞熱能的能力。 TC 提供了一個定量框架來確定在系統中傳遞熱量的「容易」或「困難」。例如，微處理器中的散熱器需要「輕鬆」地去除大量熱量；因此，在此類應用中需要高 TC。另一方面，房屋牆壁和屋頂的隔熱材料需要「保留」盡可能多的熱量/冷量，因此需要非常低的 TC。 TC的SI單位為W/m·K。
理解傳熱特性－概述
然而，單靠 TC 無法理解和測量熱傳遞。例如，熱擴散率測量跨介質的傳熱速率。 TD 決定了單位時間內熱量流過橫斷面的速度，以 mm²/s 為單位。
另一方面，體積熱容量 (VHC) 是指材料每單位體積將溫度升高 1K 所需的熱量。 VHC的常規單位是J/mm³K。 TC、TD 和 VHC 是控制介質中熱傳遞的熱傳輸特性。在設計各種應用中具有高效熱管理的最佳系統時，測量熱導率和相關的熱性能變得越來越重要。
瞬態平面源法的相關性和日益增長的重要性
瞬態熱分析確定溫度隨時間的變化以及相關的熱量。許多應用都對溫度分佈隨時間的變化感興趣，包括冷卻電子封裝和熱處理金屬的淬火。使用瞬態熱分析來評估噴嘴、引擎缸體和壓力容器等結構應用中因熱應變而導致的災難性故障。
對於瞬態測量，瞬態平面源 (TPS) 方法 (ISO 22007-2) 提供了一個快速、通用且精確的框架，可同時測量各種材料（如糊劑、粉末、液體、薄膜和塊體材料）的 TC 和 TD。
瞬態平面源法
瞬態平面源法是一種解開材料熱秘密的非破壞性技術。它的工作原理是將圓盤狀感測器與樣品緊密接觸。此感測器既可用作熱源，又可用作溫度計。短暫的熱量透過感測器傳遞，導致樣品的溫度升高。神奇之處在於熱量消散的速度非常快。
透過仔細記錄感測器返回初始狀態時的溫度響應，科學家可以計算出材料的熱導率——即其固有的導熱能力。這種強大的方法用途非常廣泛，適用於各種材料，從精密絕緣體到強導體，甚至延伸到液體和流體。
TPS 方法與其他方法和標準的區別
在 TPS 方法中，雙螺旋 TPS 感測器要么夾在樣品的兩半之間（對稱測試），要么放置在樣品的頂部/底部（非對稱測試），另一側帶有背襯材料。 TPS 感測器可作為“熱源”，提供升高樣品溫度所需的功率，並充當“電阻溫度計”，記錄隨時間變化的溫度升高。與其他方法如雷射閃光（ASTM E1461）不同，此方法可以同時測量輸送到樣品的功率和熱傳輸特性。
TPS 感測器由封裝在電絕緣材料薄片之間的導電雙螺旋形鎳箔組成。雙螺旋形狀消除了熱線法（ ASTM D7896）和熱帶法（ASTM D5930 ）等方法所需的較長樣品尺寸的需要。
Thermtest 提供各種尺寸的感測器，以適應各種樣本尺寸。 Thermtest 在 TPS 方法中採用的專利TPS 接觸分析框架消除了感測器和樣品表面之間的熱接觸阻的影響，提供了一種確定材料真實體積特性的獨特方法。
TPS的工作原理：標準模組
TPS 測量在 Thermtest 的專有測量平台 (MP-1) 上進行。 MP -1是一種熱導率儀器，相容於一系列感測器，用於對熱傳輸特性進行穩健測量，並配備能夠進行資料擷取和瞬態分析的軟體。
在 TPS 標準模組中，感測器位於兩個具有平坦表面的相同樣品之間的中心。這種配置稱為對稱 3D 方法。感測器提供恆定功率，同時測量選定時間間隔內的溫度讀數。圖 4 說明了使用 PyroCeram 的 3D 對稱配置。將測量值與參考值進行比較，TC 變化在 2% 以內。
瞬態平面源法的應用
1. 電池封裝－圓柱形各向異性模組
可充電鋰離子電池目前是滿足能源需求的化石燃料最可行的替代品。電池單元通常具有不同的幾何形狀/配置，例如圓柱形、棱柱形和袋式電池。眾多電池堆疊在一起形成電池組，用作從電力電子到汽車等各種應用的電源。
電池在充電/放電過程中產生的熱量可能會損害電池壽命，如果不加以控制，可能會導致災難性的故障，即所謂的熱失控。鋰離子電池的熱導率顯著影響電池溫度分佈，因此 TC 測量對於設計高效的熱管理系統以延長電池壽命和防止熱失控爆發至關重要。
電池表現出沿平面內和平面外方向的定向熱導率。這種特性稱為各向異性。 Thermtest 客製化設計的電池外殼可以使用具有各向異性模組的 MP-1 TPS 方法測量平面內和平面外的熱導率 。
對直徑 21 毫米、高度 70 毫米的 21700 型圓柱電池進行了定向 TC 和 TD 測試。 TPS 感測器位於已知的背襯絕緣層和電池之間。使用溫度平台在不同的操作溫度（25°C、50°C、80°C）下進行測量。關於感測器樣品的方向，軸向/平面內方向是進入電池芯，而徑向/平面外方向是沿著電池的長度。
請聯絡我們進行客製化電池測試。
2. Airloy® X116 – 薄膜模組
薄膜在包裝、電子和光學鍍膜行業中具有多種功能應用。薄膜充當基板和外部環境之間的屏障，例如汽車和航空航天工業中的保護層、食品包裝和半導體工業中的密封劑以及玻璃上的表面改質劑（薄膜光學）。
薄膜特性嚴重影響基板的溫度分佈。例如， Airloy® X116等輕質隔熱膜在熱屏蔽應用中對於保護內部免受極端外部條件的影響至關重要。
由於薄膜尺寸小且探測深度有限，測量薄膜的熱導率具有挑戰性。此外，薄膜在其重量下容易變形，使得傳統的瞬態和穩態方法不可靠。 Thermtest 開發了瞬態熱阻薄膜 (TTR-TF) 模組來解決這些問題。
該模組提供了一種快速便捷的方法來測量厚度達 1 毫米的薄膜。 TTR-TF 模組還可以與黏合劑、糊劑和塗料一起使用。
具有 TTR-TF 模組的 MP-1 TPS 採用直徑 20 毫米的感測器和四塊直徑 21 毫米的鋼。兩片長度分別為 l1 = 3 毫米和 l2 = 25 毫米。將兩張影印紙（89µm 厚）和 Airloy® X116（400µm 厚）切成直徑 21 毫米的圓圈。薄膜樣品放置在 l1 和 l2 之間。
測試在環境溫度（23°C）下以 1W 的功率輸入持續 5 秒進行。 TTR-TF 模組測量整個薄膜的瞬態熱阻 (TR)，並將其與薄膜厚度一起用於計算 TC。
結論
TPS方法是準確測量各種材料TC和TD的強大工具。本文概述了使用 TPS 方法來理解和量化熱傳輸特性的意義。除了塊體材料和薄膜外，TPS 還可用於測量各種粉末、糊狀物、各向異性材料、液體和金屬箔。
在 Thermtest，我們專門使用國際標準（ASTM 和 ISO）來測量熱性能。我們歡迎有機會協助您解決您的熱管理需求。如需更多資訊和個人化客戶服務，請在此聯絡我們。
常見問題解答
瞬態平面源元件如何運作？
瞬態平面源元件同時充當熱源和溫度感測器。
瞬態平面源和改進的瞬態平面源方法有什麼不同？
瞬態平面源 (TPS) 採用雙螺旋盤感測器對各種材料進行多功能熱性能測量，而改良瞬態平面源 (MTPS) 採用已知背襯絕緣的單面感測器，可進行更方便、免校準的測試，特別適用於多孔和薄材料。
什麼是瞬態平面源設備？
TPS（瞬態平面源）設備是一種用於高精度測量材料熱導率和其他熱性能的尖端儀器。本系統採用扁平的圓盤狀感測器，既可用作熱源，也可用作溫度感測器。透過向感測器施加受控熱脈衝，它可以檢測樣品材料內的瞬時溫度變化。這可以精確分析熱導率、比熱和熱擴散率。 Thermtest TPS 設備專為高效可靠的熱分析而設計，使其成為廣泛行業和研究應用的理想工具。
參考
- (KhanAcademy, 2016)
- (ISO 22007-2: Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 2: Transient plane heat source (hot disc) method, 2015)
- Thermtest Manual for TPS
- Thermtest application Sheets
- (Airloy® X116 Non-Flammable Strong Aerogel Tiles, 2004-2023), http://www.buyaerogel.com/product/airloy-x116/
