随着电子设备小型化和轻薄化的发展趋势,对有限空间内的大热流密度散热提出了越来越高的要求。据不完全统计,厚度为0.1~1 mm的亚毫米级薄型材料是现代电子设备(如手机、笔记本电脑、安防摄像头等)的重要组成部分,包括金属/合金、高分子塑料、玻璃以及复合材料等种类繁多的材料,并主要以导热界面材料、散热模组和产品外壳等形式出现。这些薄型材料是电子设备向外界空间散热的主要途径,其导热能力直接影响设备的散热效果、运行性能和使用寿命。因此,薄型材料的导热系数是对电子设备进行热设计所不可或缺的关键热物性参数,其值的准确性对热设计的可靠性具有至关重要的影响。从热传导原理来看,亚毫米厚度的材料所呈现的仍然是块体材料的导热系数,尚未涉及亚微米/纳米尺度下的导热尺寸效应;但由于其厚度较薄、不同类型材料导热能力差异较大并可能具有各向异性的特点,为实际应用中采用商业化仪器进行薄型材料导热系数的准确测试带来了一定的挑战,目前尚没有形成统一可行的解决方案。本文在对材料导热性能测试方法的原理、适用范围和测试条件等进行全面梳理与比较的基础上,选择基于瞬态平面热源(Transient Plane Source,以下简称TPS)法的Hot Disk3500S瞬态热常数分析仪作为测试仪器,运用其附带的平板模块、薄膜模块和各向异性模块分别对具有不同导热性能和不同厚度的多种常见薄型材料的导热系数进行测试与研究,并与同为瞬态测试方法的另一类常见的商业化导热测试仪——激光闪光法导热仪以及自行开发的稳态法导热测试仪的测试结果进行对比分析,探究TPS法在薄型材料导热系数测试上的适用性和准确性,为工程应用提供参考。本文的第一部分工作首先基于TPS法的平板模块,对0.1~1 mm厚的304不锈钢、AlN陶瓷、1060铝三种导热性能较好的薄板材料进行测试,并给出测试指导意见。对于导热系数为10~100 W/m·K的薄板试样,推荐采用5501探头,起始加热功率和时间分别为0.4 W和4~5 s;对于导热系数为100~200 W/m·K的薄板试样,推荐采用8563探头,起始加热功率和时间分别为1.5~4.0 W和1 s;对于导热系数高达200~300 W/m·K的薄板试样,推荐采用4922探头,从2.0~4.0 W的加热功率和1 s的加热时间开始调试。导热性能越好,所推荐使用探头尺寸越大,加热功率越高,加热时间越短。在上述测试条件下,不同厚度试样间的导热系数和热扩散系数测试结果偏差基本都在2%和5%以内,其中304不锈钢薄板试样与块体标样的导热系数和热扩散系数偏差也分别在2%和5%左右,说明TPS法平板模块用于高导热薄板试样的测试是可靠的。此外,将多个试样层叠之后采用TPS法各向异性模块进行测试,发现测试结果与平板模块的测试结果一致性较好;而基于激光闪光法测得的热扩散系数与TPS法的测试结果之间的相对偏差不超过5%。在本文的第二部分工作中,采用TPS法薄膜模块对0.1~1 mm厚的相变材料(Phase change material,以下简称PCM)薄膜和聚四氟乙烯(PTFE)两种导热性能较差的薄膜试样的导热系数进行测试,研究加载压力和试样厚度变化对测试结果的影响。发现薄膜试样导热系数测试值随着加载压力与厚度增加而增大,该现象是由于测试过程中接触热阻的变化所引起。测试值所对应的名义热阻与试样厚度成线性关系,其中曲线斜率为试样导热系数的倒数,截距为测试过程中的与接触热阻相关的值。基于该原理对TPS法测试值进行修正,修正后PCM35薄膜试样在固态时导热系数与测试值最大偏差为80%,PTFE导热系数与测试值最大偏差为37.5%。根据修正曲线,发现PCM类与高分子塑料类薄膜材料在测试过程中的接触热阻随加载压力均呈指数变化。根据所得到PCM薄膜修正规律修正另一种PCM41薄膜试样的测试值,修正值与测试值之间的偏差为73.7%。此外,采用自行设计搭建的稳态导热系数测试仪对薄膜试样的导热系数进行测定,并与TPS法的修正值进行对比分析。PCM35薄膜试样的TPS法测试修正值与稳态法测试值之间的偏差约为30%,主要来源于PCM薄膜在加载压力下发生形变所产生厚度测试误差。根据PCM薄膜接触热阻变化规律修正后得到的PCM41薄膜试样的导热系数值与稳态测试结果之间的偏差仅为6.6%,PTFE薄膜修正值与稳态测试值之间的偏差仅为1.3%,表明上述基于TPS法薄膜模块测试值的修正方法具有可行性。综上所述,根据本文所得到的对比分析结果,采用基于TPS法的Hot Disk 3500S瞬态热常数分析仪并结合其附带的多个测试模块可作为一种工程中对亚毫米厚度薄型材料的导热性能进行准确测试的有效方法,对试样本身的导热性能和厚度具有较广的适应范围。作为一种瞬态方法,TPS法的测试时间短,尤其适用于工程中的大规模测试需求,其快速的特点对于需要在多个温度点下进行测试以得到材料导热系数随温度变化规律的应用场景也具有显著的优势。本文所得到的针对不同材料的推荐测试参数设定范围和接触热阻修正方法对工程应用具有一定的借鉴参考价值。