隨著5G時代到來，對電子設備及材料提出了更高的要求。5G信號發射頻率高，設備溫度耗散性能要求高，材料的導熱性能成為了評價5G材料的重要指標。

材料導熱性能的提高，主要原理是增加材料內部微觀結構中的導熱通路，一般采用兩種方式，一種是高分子基材本體結構的影響，如結晶性聚合物可通過對材料施加外力，高分子鏈的結構會沿著外力的方向進行排列，形成連續的短切晶橋，當熱量沿著外力方向傳播時可獲得很高的導熱系數，從而改善聚合物材料的傳熱能力。對于非晶態的聚合物來說，在受力后不僅可以形成取向，而且可以使高分子的自由體積受迫變小使內部更緊密，從而減弱延取向方向的聲子散射，提高導熱性能。

二是添加導熱填料，高的填充系數必將獲得更高的導熱系數。當填充量變大時，導熱粒子之間接觸的可能性變大，一旦形成連續的粒子連通相導熱系數將快速提升。同時填料的幾何形態對材料的導熱系數是非常明顯的，同種粒子通常會有不同的形貌，一般來說長徑比大的填料更易取向排列形成導熱通路。如將碳纖維填充到聚丙烯中并沿軸向取向，其軸向導熱系數隨體積分數變化非常明顯，但垂直方向的導熱系數基本上毫無變化。

在測量材料的導熱系數過程中，除了考慮儀器狀態、實驗條件外，還要考慮到試樣本身因素對測試的影響，因為試樣的厚度和處理的方式直接影響了導熱性能的測試結果。聚合物在兩個方向上，產生了各向異性。由于復合材料的導熱系數會受到基體和填料結構特性的影響，通常需要分別測試Z軸和X軸不同方向的導熱性能，如圖1所示。以復合材料為例，利用激光閃射導熱儀對材料導熱性能進行測試，其原理是一束激光能量在試樣內部沿著Z軸和X軸兩個方向進行能量傳導。

圖1測試方向圖

當進行樣品Z軸方向上測試，一定的設定溫度 T（恒溫條件）下，由激光源（或閃光氙燈）在瞬間發射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時升高，并作為熱端將能量以一維熱傳導方式向冷端（上表面）傳播，使用紅外檢測器連續測量上表面中心部位的相應溫升過程，如圖2右圖所示。

圖2導熱測試圖（坐圖為樣品和支架圖，右圖為測試原理圖）

但由于樣品（samples）X軸方向的接觸面激光光源在下方，只能從下往上垂直發射激光，導致紅外檢測無法檢測沿著Z軸方向傳到X軸方向上中心區域的能量，以上情況是只針對于聚合物材料來說，如圖2左圖所示。然而，當前X軸裁樣方法多為手工裁剪，存在樣品尺寸大小和厚度不均一、拼接面不平整、耗時廠等問題，因此，探究X軸方向材料樣品制備方法對多向異性的導熱材料研發至關重要。

1、試驗方案

本案例將采用LFA467激光閃射導熱儀測定材料導熱系數不同方向上的熱擴散系數。通過激光閃射覆蓋試樣下表面，熱量以一維傳熱的方式通過試樣，檢測器測試樣上表面發生的溫度變化，計算到達最大溫升所需時間的一半（t1/2），按公式（1）α =0.13879d2 /t1/2計算熱擴散系數。另外，按公式（2）λ = α?CP?ρ計算試樣的導熱系數，理想曲線如圖3所示。（d：樣品厚度；T50：半升溫時間；Cp：樣品在溫度T時的比熱；ρ：密度）

圖3理想升溫和分析參數關系圖

由公式可見，樣品厚度是影響材料熱擴散系數的重要因素。而對于X軸方向的裁樣的難點就在于保證厚度均一性和每一片試樣的平整性，這可能會導致激光導熱測試出現漏光的情況，進而影響測試的數據擬合。

所以，本試驗將對雕刻機在特殊制樣方法進行開發，分別對待測樣品進行Z軸和X軸方向上的裁樣，這樣既減少了實驗的誤差，也保證了每一個小樣拼接起來的尺寸是一致的。

2、試驗設備

 圖4 德國耐馳激光閃射導熱儀LFA 467

 圖5 CNC激光雕刻機

                                   

? 普通樣品臺

  圖6 方形樣品支架

圖7 圓形樣品支架

? 特殊樣品臺

圖8 X軸方向測試樣品支架

3、雕刻機裁樣結果

Z軸方向上的試樣：尺寸?12.7mm，如圖9所示

圖9 Z軸方向樣品示意圖

X軸方向上的試樣：尺寸12.7mm

將樣品在平面上一片片切開，把切開試樣豎起來疊加在特殊類型的樣品支架中，然后使用砂紙對試樣進行打磨，得到一塊X軸方向上的待測樣品，如圖10所示。

圖10 X軸方向樣品示意圖

對切割樣進行檢查和分析，如表所示，實驗Z軸方向裁樣尺寸相對平均偏差＜6%，實驗X軸方向裁樣厚度相對平均偏差＜1.5%，均小于10%，對測試結果影響較小，符合樣品使用要求。

3.1 Z軸方向

表1 示例實驗Z軸方向裁樣尺寸相對平均偏差表

3.2 X軸方向

表2 示例實驗X軸方向裁樣厚度相對平均偏差表

4、LFA激光閃射導熱測試及數據擬合結果

本試驗選取了五個溫度點測試樣品，在不同方向上導熱系數的變化情況，測試結果如下：

4.1試樣Z軸方向上的導熱系數測試

圖11 示例實驗Z軸方向測試結果

4.2試樣X軸方向的導熱系數測試

圖12 示例實驗X軸測試結果線性分析

圖13 示例實驗X軸方向測試結果線性關系

圖14示例實驗Z軸和X軸方向測試不同溫度下測試導熱系數關系

實驗表明：

a) 不同方向上測試的導熱系數有顯著性差異，在試樣制備過程中需對不同方向裁樣的尺寸和厚度進行嚴格控制。

b) 對于雕刻機在制樣上的使用已經進行了對導熱試樣Z軸方向和X軸方向的裁剪，一定程度上保證了試樣尺寸大小和厚度偏差小于1%（如表1和2所示）。

c) 利用雕刻機對X軸方向上的裁樣大大縮減了時間，相比于手動裁樣， 可以減少人工，提高資源利用率。

d) 一定范圍內保證X軸方向上裁得每一片小樣厚度的均一。

因此，說明利用雕刻機進行X軸方向裁樣是可行的。

5、總結：

在今后的X軸方向上的導熱測試，利用雕刻機進行制樣可以保證樣品的尺寸大小、厚度均一及表面平整等，減少了測試人工的輸出，使測試結果真正可靠的同時，也提高測試效率。