阅读说明：本技术 多层复合材料测量方法及装置 (Method and device for measuring multilayer composite material ) 是由 祝渊 曾少博 陈安琪 段淇耀 郭维 高欣甜 于 2020-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多层复合材料测量方法及装置。本发明实施例包括：获取多层复合材料在第一方向上的温度-时间变化关系T(t)；根据温度-时间变化关系T(t)得到热阻-时间变化关系Z(t)；对热阻-时间变化关系Z(t)进行处理,以得到每一个子层的第一热阻；根据第一热阻得到每一个子层的热导率。根据本发明实施例提供的方案,通过温度-时间变化关系T(t)求取热阻-时间变化关系Z(t),以获取热阻信息,并根据热阻-时间变化关系Z(t)得到每一个子层的第一热阻,实现对每一个子层热阻信息的瞬态测量,从而可以推导出每一个子层的热导率,以减小热物性测量的误差。(The invention discloses a method and a device for measuring a multilayer composite material. The embodiment of the invention comprises the following steps: acquiring a temperature-time change relation T (t) of the multilayer composite material in a first direction; obtaining a thermal resistance-time change relation Z (t) according to the temperature-time change relation T (t); processing the thermal resistance-time change relation Z (t) to obtain a first thermal resistance of each sub-layer; the thermal conductivity of each sub-layer is obtained according to the first thermal resistance. According to the scheme provided by the embodiment of the invention, the thermal resistance-time change relation Z (t) is obtained through the temperature-time change relation T (t) to obtain thermal resistance information, the first thermal resistance of each sub-layer is obtained according to the thermal resistance-time change relation Z (t), and the transient measurement of the thermal resistance information of each sub-layer is realized, so that the thermal conductivity of each sub-layer can be deduced, and the error of thermophysical property measurement is reduced.)

多层复合材料测量方法及装置

技术领域

本发明涉及热物性测量领域，尤其是涉及一种多层复合材料测量方法及装置。

背景技术

目前，电子器件的发热率不断增加，为保证电子器件安全、稳定的运行，需要导热效果好的导热材料进行散热。

在相关技术中，由于单层材料已经很难满足电子器件的散热需求，所以一般采用多层复合材料来提高电子器件的散热效果。然而，在热传导过程中，由于多层复合材料每一层的热导率不同，所以容易产生热串扰现象，使得多层复合材料的热物性测量造成误差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种多层复合材料测量方法及装置，能够实现对多层复合材料每一层热导率的测量，以提高多层复合材料热物性测量的准确性。

第一方面，本发明的一个实施例提供了多层复合材料测量方法，所述多层复合材料中设有叠层设置的多个子层，包括：获取所述多层复合材料在第一方向上的温度-时间变化关系T(t)；根据所述温度-时间变化关系T(t)得到热阻-时间变化关系Z(t)；对所述热阻-时间变化关系Z(t)进行处理，以得到每一个所述子层的第一热阻；根据所述第一热阻得到每一个所述子层的热导率。

本发明实施例的多层复合材料测量方法至少具有如下有益效果：在本申请实施例中，通过温度-时间变化关系T(t)求取热阻-时间变化关系Z(t)，以获取热阻信息，并根据热阻-时间变化关系Z(t)得到每一个子层的第一热阻，实现对多层复合材料每一个子层热阻信息的瞬态测量，从而可以推导出每一个子层的热导率，以减小多层复合材料热物性测量的误差。

根据本发明的另一些实施例的多层复合材料测量方法，所述根据所述温度-时间变化关系T(t)得到热阻-时间变化关系Z(t)，具体包括：所述热阻-时间变化关系其中，T₀表示所述多层复合材料的初始温度，T(t)表示温度-时间变化关系，ΔP表示热功率变化率。

根据本发明的另一些实施例的多层复合材料测量方法，所述对所述热阻-时间变化关系Z(t)进行处理，以得到每一个所述子层的第一热阻，具体包括：根据所述热阻-时间变化关系Z(t)，得到所述多层复合材料的第一温度响应函数；根据所述第一温度响应函数得到所述多层复合材料的总热阻；根据所述总热阻得到所述第一热阻和第一热容。

根据本发明的另一些实施例的多层复合材料测量方法，所述根据所述第一温度响应函数得到所述多层复合材料的总热阻，具体包括：对所述第一温度响应函数进行连续化处理，以得到第二温度响应函数；对所述第二温度响应函数进行微分处理，以得到所述总热阻。

根据本发明的另一些实施例的多层复合材料测量方法，所述根据所述总热阻得到所述第一热阻和第一热容，具体包括：根据所述总热阻得到所述第一热阻R_th＝R(Z)/ΔZ；根据所述第一热阻得到所述第一热容C_th＝e^z/R_th；其中，R_th表示所述第一热阻，R(Z)表示所述总热阻，△Z表示分层，C_th表示所述第一热容，e^z表示时间常数。

根据本发明的另一些实施例的多层复合材料测量方法，所述第一方向为垂直方向。

根据本发明的另一些实施例的多层复合材料测量方法，还包括：对所述多层复合材料进行处理，以使所述多层复合材料的第一表面粘结一层吸附层。

第二方面，本发明的一个实施例提供了多层复合材料测量装置，所述多层复合材料设有叠层设置的多个子层，包括:加热装置，用于发送加热信号，以对多层复合材料进行加热；温度测量装置，用于获取所述多层复合材料在第一方向上的温度数据；数据处理装置，与所述温度测量装置连接，用于根据所述温度数据获取所述多层复合材料在第一方向上的温度-时间变化关系T(t)，并根据所述温度-时间变化关系T(t)得到热阻-时间变化关系Z(t)，对所述热阻-时间变化关系Z(t)进行处理，以得到每一个所述子层的第一热阻。

根据本发明的另一些实施例的多层复合材料测量装置，还包括：冷却装置，与所述多层复合材料的第二表面连接，用于使所述第二表面的温度恒定；信号控制装置，设置于所述加热装置和所述多层复合材料之间，用于控制所述加热信号的传输方向，以使所述多层复合材料均匀加热。

根据本发明的另一些实施例的多层复合材料测量装置，还包括：电源装置，分别与所述加热装置、所述温度测量装置、所述数据处理装置、所述冷却装置电连接，用于提供供电电源。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明实施例中多层复合材料测量方法的一具体实施例流程示意图；

图2是本发明实施例中多层复合材料测量方法的另一具体实施例流程示意图；

图3是本发明实施例中多层复合材料测量方法的另一具体实施例流程示意图；

图4是本发明实施例中多层复合材料测量方法的另一具体实施例流程示意图；

图5是本发明实施例中多层复合材料测量方法的另一具体实施例流程示意图；

图6是本发明实施例中多层复合材料测量装置的一具体实施例模块框图；

图7是本发明实施例中多层复合材料测量装置的一具体实施例结构示意图。

附图标记说明：

加热装置100、温度测量装置200、数据处理装置300、冷却装置400、电源装置500、信号控制装置600、多层复合材料700。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。

在本申请实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

首先，对本申请实施例中的若干名词进行解释：

热物性：是指材料在热学过程中所表现出来的反映各种热力学特性的参数的总称，它系统地反映了材料载热能力和热输运能力。

热物性包括：比热、热导率、热扩散率等参数。

第一方面，本申请实施例提供了一种多层复合材料测量方法，多层复合材料中设有叠层设置的多个子层。

参照图1，在一些实施例中，多层复合材料测量方法包括步骤：S100、获取多层复合材料在第一方向上的温度-时间变化关系T(t)；S200、根据温度-时间变化关系T(t)得到热阻-时间变化关系Z(t)；S300、对热阻-时间变化关系Z(t)进行处理，以得到每一个子层的第一热阻；S400、根据第一热阻得到每一个子层的热导率。

其中，步骤S100、获取多层复合材料在第一方向上的温度-时间变化关系T(t)的一具体实施方式为：多层复合材料中堆叠设置有多个子层，将多层复合材料置于恒温的测试装置中，使用不同功率条件的加热装置对多层复合材料进行加热处理，以得到多层复合材料在第一方向上的温度-时间变化关系T(t)，例如获取多层复合材料在垂直方向上的温度数据T，以得到多层复合材料在垂直方向上的温度-时间变化关系T(t)，使热传导实现一维传导，从而减小温度测量误差。

步骤S200、根据温度-时间变化关系得到热阻-时间变化关系Z(t)的一具体实施方式为：根据温度-时间变化关系T(t)建立热阻-时间变化关系Z(t)，以获取热阻信息。

在本申请实施例中，通过温度-时间变化关系T(t)求取热阻-时间变化关系Z(t)，以获取热阻信息，并根据热阻-时间变化关系Z(t)得到每一个子层的第一热阻，实现对每一个子层热阻信息的瞬态测量，从而可以推导出每一个子层的热导率，以减小多层复合材料热物性测量的误差。

在一些实施例中，步骤S200、根据温度-时间变化关系T(t)得到热阻-时间变化关系Z(t)的一具体实施方式为：将温度-时间变化关系T(t)转化为热阻-时间关系Z(t)，热阻-时间关系Z(t)的具体表达式为：

在式(1)中，T₀表示多层复合材料的初始温度，即多层复合材料在加热前的初始温度；T(t)表示温度-时间关系，△P表示加热装置的热功率变化率。

参照图2，在一些实施例中，步骤S300包括：S310、根据热阻-时间变化关系Z(t)，得到多层复合材料的第一温度响应函数；S320、根据第一温度响应函数得到多层复合材料的总热阻；S330、根据总热阻得到第一热阻和第一热容。

其中，步骤S310、根据热阻-时间变化关系Z(t)，得到多层复合材料的第一温度响应函数的一具体实施方式为：将热阻-时间变化关系Z(t)看做是一阶响应系统，并以指数函数之和的形式表示多层复合材料的第一温度响应函数：

其中，τ_i＝R_thi·C_thi.............................式(3)，

在式(2)中，T(t)表示温度-时间变化关系，△P_h表示加热功率，单位为W；n表示多层复合材料共有n层；R_thi表示第i层热阻，单位为K/W；t表示时间，单位为s；C_thi表示第i层热容，单位为J/K。在式(3)中，τ_i表示时间常数，单位为s。

在一些实施例中，假设△P_h＝1W，第一温度响应函数即可表示为单位阶跃响应，单位阶跃响应的具体表达式可参见式(3)：

步骤S320、根据第一温度响应函数得到多层复合材料的总热阻的一具体实施方式为：对第一温度响应函数，或第一温度响应函数变换后的单位阶跃响应进行处理，以获取多层复合材料的总热阻。

步骤S330、根据总热阻得到第一热阻和第一热容的一具体实施方式为：根据多层复合材料的总热阻和多层复合材料的分层信息，即可得到每一个子层的第一热阻，根据第一热阻可进一步获得每一个子层的第一热容，以实现对多层复合材料各层材料热阻和热容的测量。

参照图3，步骤S320包括：S321、对第一温度响应函数进行连续化处理，以得到第二温度响应函数；S322、对第二温度响应函数进行微分处理，以得到总热阻。

其中，步骤S321、对第一温度响应函数进行连续化处理，以得到第二温度响应函数的一具体实施方式为：将离散的热时间常数τ_i用连续的热时间常数谱进行替换，得到式(4)：

步骤S322、对第二温度响应函数进行微分处理，以得到总热阻的一具体实施方式为：对式(4)中的T(t)进行微分处理，根据微分曲线的拐点即可确定各层材料：

在式(5)中，R(z)表示总热阻，W(z)表示时间函数，每个△z对应于一个并联RC电路。

参照图4，在一些实施例中，步骤S330包括步骤：S331、根据总热阻得到第一热阻R_th＝R(Z)/△Z；S332、根据第一热阻得到第一热容C_th＝e^z/R_th。

在一些具体的实施例中，根据总热阻可求出多层复合材料的每一层热阻R_th＝R(Z)/△Z，其中，R_th表示第一热阻，单位为K/W；R(Z)表示总热阻，△Z表示分层。根据第一热阻R_th可求得第一热容C_th＝e^z/R_th，其中，C_th表示第一热容，单位为J/K，e^z表示时间常数，单位为s。

步骤S400、根据第一热阻得到每一个子层的热导率的一具体实施方式为：通过热阻和热导率的关系：R＝L/(λA)，并根据第一热阻可对应得到每一层的热导率，以实现对每一个子层的热物性测量。其中，R表示第一热阻，单位为K/W；L表示多层复合材料的厚度，单位为m；λ表示热导率，单位为W/(m.K)；A表示多层复合材料的横截面积，单位为m²。

在一些实施例中，总热阻还可以表示为：

在式(6)中，λ表示热导率，A(ξ)表示多层复合材料中x层的横截面积，R_Σ表示多层复合材料中x层的总热阻。总热容可表示为：

在式(7)中，C_ν表示单位热容，A(ξ)表示层复合材料中x层的横截面积，C_Σ表示多层复合材料中x层的总热容。通过式(6)和式(7)可以更直观方便的多层复合材料与热阻和热容的关系，以使用户可以根据实际需求对多层复合材料进行选择。可以理解的是，在上述实施例中，以多层复合材料为例进行说明，但对多层复合材料设置的子层数量未做具体限定，即通过上述实施例所描述的方法，本申请实施例也可实现对单层材料热物性的测量。

参照图5，在一些实施例中，多层复合材料测量方法还包括步骤：S500、对多层复合材料进行处理，以使多层复合材料的第一表面粘结一层吸附层。具体地，由于不同的多层复合材料，其表面的发射率和吸收率也不相同，因此对于同样的加热功率，不同的吸收率会导致多层复合材料实际的加热功率不同。而不同的发射率将会使多层复合材料的温度测量产生误差，从而影响多层复合材料热阻的测量。因此，为保证多层复合材料温度测量的准确性，在对多层复合材料的热阻进行测量时，先对多层复合材料的第一表面进行处理，例如在厚度为60μm的铜箔上均匀的喷涂一层炭黑，再采用物理粘结的方式将处理后的铜箔粘结到多层复合材料的第一表面，以减小温度测量偏差而产生的热阻测量误差。可以理解的是，第一表面为加热装置直接照射的多层复合材料的表面，吸附层的材质、厚度，以及在吸附层表面喷涂的物质可以根据实际需要进行适应性调整。

在一个具体的实施例中，通过获取多层复合材料在垂直方向上的温度-时间变化关系T(t)，以得到多层复合材料的热阻-时间变化关系Z(t)。对热阻-时间变化关系Z(t)进行转换、连续化处理以及微分处理，从而得到多层复合材料的总热阻，进而求解出多层复合材料垂直方向上各层材料的第一热阻R_th和第一热容C_th。根据热阻和热导率的关系R＝L/(λA)得到各层材料的热导率，以实现对各层材料的热物性测量。

第二方面，本申请实施例提供了一种多层复合材料测量装置，多层复合材料设有叠层设置的多个子层。

参照图6，在一些实施例中，多层复合材料测量装置包括：加热装置100、温度测量装置200和数据处理装置300，加热装置100用于发送加热信号，以对多层复合材料700进行加热；温度测量装置200用于获取多层复合材料700在第一方向上的温度数据；数据处理装置300与温度测量装置200连接，用于根据温度数据获取多层复合材料在第一方向上的温度-时间变化关系T(t)，并根据温度-时间变化关系T(t)得到热阻-时间变化关系Z(t)，对热阻-时间变化关系Z(t)进行处理，以得到每一个子层的第一热阻。具体地加热装置100发送红外信号对多层复合材料700进行加热，温度测量装置采集多层复合材料的温度数据并发送至数据处理装置，使数据处理装置根据温度数据得到温度-时间变化关系T(t)。

参照图7，在一些具体的实施例中，加热装置100与多层复合材料700相对设置，且加热装置100与多层复合材料700不接触，以避免因接触引起的热传导紊乱现象。加热装置100发送加热信号对多层复合材料700进行加热，温度测量装置200设置在多层复合材料700第一表面的上方，且温度测量装置200与多层复合材料700不接触设置，以实现对温度数据的快速采样，并获取足够帧数的温度数据，从而提高温度数据的采样精度。温度测量装置200包括可对多层复合材料700进行温度数据采集的传感器，例如温度传感器。温度测量装置200将采集到的多层复合材料700垂直方向上的温度数据发送至数据处理装置300，以使数据处理装置300生成温度-时间变化关系T(t)，数据处理装置300根据温度-时间变化关系T(t)得到热阻时间变化关系Z(t)，从而求解出多层复合材料700的总热阻，以获取多层复合材料700每一层的第一热阻和第一热容。可以理解的是，可以通过固定加热装置100与多层复合材料700的夹角，以提高加热信号的稳定性。

在一些实施例中，多层复合材料测量装置还包括：冷却装置400和信号控制装置600。冷却装置400与多层复合材料700的第二表面连接，用于使第二表面的温度恒定；信号控制装置600设置于加热装置100与多层的复合材料之间，用于控制加热信号的传输方向，以使多层复合材料700均匀加热。具体地，多层复合材料700的第一表面为多层复合材料700的上表面，多层复合材料700的第二表面为第一表面的相对面，即多层复合材料700的底面。冷却装置400与多层复合材料700的底面连接，使多层复合材料700的底面温度保持恒定，以减小外界环境温度的影响。信号控制装置600设置在加热信号的传输路径上，以控制加热信号的传输方向以及加热形状和大小。例如，信号控制装置600包括光阑，将光阑设置在加热装置100和多层复合材料700之间，并且光阑在红外信号的传输路径上，实现对多层复合材料700均匀加热。通过设置不同规格的光阑，和/或对光阑的孔径进行调整，以控制红外信号的形状和大小，从而控制多层复合材料700的加热效果。在一些具体的实施例中，将加热装置100、多层复合材料700、冷却装置400、信号控制装置600和温度测量装置200设置在同一密闭的装置内，以减小外部环境的影响，以及热对流带来的测量误差，从而保证温度测量装置200测量温度的准确性。

参照图6，在一些实例中，多层复合材料测量装置还包括：电源装置500。电源装置500分别与加热装置100、温度测量装置200、数据处理装置300以及冷却装置400连接，用于提供供电电源。

在一个具体的实施例中，对多层复合材料700的第一表面进行处理，并将多层复合材料700的第二表面放置在冷却装置400上。加热系统发送红外信号以实现对多层复合材料700的加热，温度测量装置200采集多层复合材料700的温度数据，并发送至数据处理装置300。数据处理装置300对温度数据进行处理，以获取温度-时间变化关系T(t)，从而计算出多层复合材料700每一层的第一热阻和/或第一热容，实现对多层复合材料700每一层热导率的测量。

本申请实施例通过将多层复合材料与加热装置进行非接触设置，并采集多层复合材料垂直方向上的温度数据，以减小多层复合材料温度测量误差，通过对每一个子层的第一热阻和/或第一热容的测量，提高了多层复合材料热物性测量的准确性。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。