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技术资料

现阶段导热吸波材料研究存在的问题

时间:2022-03-05浏览次数:1227

经过十多年发展,导热吸波材料已日益标准化、体系化,工业级的导热吸波材料产品也已经定型批量生产,其性能稳步提升,已应用在军民电子设备领域,这就需要人们进行深入思考:导热吸波材料的生产制备技术已经有了迅猛突破,还存在哪些技术瓶颈没有突破,制约着整个行业发展。先进院科技根据在行业内多年的从业经验,认为导热吸波材料还存在以下四个方面问题。
2.1 导热吸波材料的微观结构模型及设计理论尚未建立
由于导热吸波材料属于工程应用材料领域,研究的重点一直以提高性能为主要目标,即直接采用不同种类、不同形态的功能粉体进行复配,通过调整添加量改善性能,并未从微观层面出发对不同种填料间的相互作用机理进行深入研究。导热吸波材料一般由基体高分子材料与多种功能填料复合而成,功能填料的成分、添加量、微观形貌、分布状态对材料电磁特性、热传导效能的影响规律还没有相应的物理模型和指导理论。
根据传统的导热增强相“海-岛”结构模型以及电磁波吸收机理开展导热吸波材料的组分设计,理论设计预期与实际测试结果之间存在较大误差,理论不能有效指导实际生产。因此,材料微观结构和功能单元模型的缺失、理论与工业化生产的脱节、多种功能填料复合使用指南空白等一系列应用理论的滞后,严重制约着导热吸波材料基础设计理论的发展。
2.2 导热吸波材料的性能评价与测试标准尚未统一
导热吸波材料最重要的性能指标是导热系数吸波性能。而目前行业单位内对这两个性能在评价指标、测试原理、测试方法以及测试标准方面都存在着较大差异,互相之间的测试数据相差很大,导致该类产品在研制、使用过程中无章可循,严重制约了该类产品的推广应用,具体分析如下。
2.2.1 热导率
目前,行业内针对导热吸波材料导热系数的测试主要采用以下两个测试标准:(1)美国标准 ASTM D5470《热导性电绝缘材料热传输特性标准试验方法》;(2) 中国标准 GB/T22588-2008《闪光法测量热扩散系数或导热系数》。

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图5 ASTM D5470 热流法测试装置的基本构造示意图
图5为 ASTM D5470 热流法测试装置的基本构造示意图,测试原理是通过对样品施加一定的热流量、压力来测试样品的厚度和在热板/冷板间的温度差,从而得到样品的导热系数,这种测试方式更能模拟实际的使用状态,接近实际使用场景。GB/T22588-2008 等同于美标 ASTM E1461《用闪光法确定固体热扩散率试验方法》,采用高强度的能量脉冲对小而薄的圆盘试样进行短时间的辐照,热扩散系数的值通过试样的厚度和低温表面温度上升到某一值所需要的时间来计算,实际测得的数据是材料的热扩散系数,其导热系数计算公式为 λ=α·Cp·ρ(α为热扩散系数,Cp为比热容,ρ为体积密度)。
在很多文献中均提出 ASTM D5470 和 GB/T22588-2008 两种测试方法的结果较为接近,认为两种结果可以交叉使用对比。笔者认为两种测试方法存在显著差距,从测试方法可以看出,ASTM D5470 可以通过测试三个不同厚度的样品的拟合曲线来消除界面热阻因素,反映出使用状态下的导热系数,而 GB/T22588-2008 是一种激光闪射法,反映的是材料自身内部的热传导性,但没有考虑界面接触热阻的影响。因此,不能简单认为结果较为接近就混淆两种测试标准。笔者通过长期的工作经验,认为 ASTM D5470 更为适合导热吸波材料这种垫片类产品的导热系数测试
2.2.2 吸波性能
目前,衡量导热吸波材料的电磁波吸收性能主要通过两个指标:(1)反射率;(2)电磁波衰减系数。
(1)反射率。按照 GJB 2039A-2011《雷达吸波材料反射率测试方法》直接对导热吸波材料进行电磁波吸收性能的测试,该方法是国内对吸波材料性能进行评价使用最广泛的一种方法,测试时电磁波信号由网络分析仪通过一个天线发射,信号入射到待测样品并被反射出去,反射后的信号被另一个天线接收并送至网络分析仪。由于吸波材料的作用,发射功率和接收功率存在一定差值,这一差值转化成 dB 为单位的数值就是样品的反射率,测试系统如图6 所示。

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图6 弓形法扫频测量系统示意图
(2)电磁波衰减系数。电磁波衰减系数是一种理论属性,并非用于指示一种物料在一个微波设备内的性能,而是根据损耗材料的复合介电常数和复合磁导率计算而得,是一种严格比较两种吸收物料性能的方法。电磁波衰减系数可以直观地体现出材料使用过程中对器件内部电磁杂波的衰减,相关研究学者及生产企业逐渐采用这一指标衡量材料的性能,但是目前国内外尚无针对该指标的测试标准,各单位根据各自硬件条件进行测试,具体方法如表4 所示。
表4 电磁波衰减系数测试方法

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先进院科技认为,由于反射率主要用于测量平板型材料的吸波性能,测试源与吸波材料的距离较远,与导热吸波材料的实际使用场景区别较大,测试结果更倾向于反映材料的吸波性能,不能准确地表征材料在器件内部对电磁杂波的衰减,因此,电磁波衰减系数更加适合评价导热吸波材料的吸波性能。
综上所述,目前导热吸波材料主要性能指标的测试标准还存在着种类繁多、标准各异的问题,在实际开发生产过程中还存在着很多由于行业规范性不强带来的问题。由于缺乏统一化、专业化的导热吸波材料性能测试方法与标准,各单位采用不同的测试方法获得了差异显著的结果,导致目前缺乏评判导热吸波材料主要性能的统一标准,对后续装备设计人员在导热吸波材料的选型、使用和评价方面的指导性差,产品标准缺失、通用性不强,产品工艺及质量输入要素不完善,制约行业的规范性发展。
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