On the Fast Measurement of Material Thermal Properties by Transient Hot-Disk Method

一般常用之熱傳導係數量測機台，需花長時間等待系統溫度達到穩態，再由已知間距量測點所測得試片之溫度梯度，以傅立葉熱傳導方程求出材料熱傳導係數，因此量測材料熱傳導值所需耗費時間較長，一般約需數十分鐘至數小時。且此穩態量測法其待測材料熱傳導係數與適合量測之試片厚度有相對應關係，對低熱傳導材料而言，此方法適於較薄試片量測，在厚試片量測上因等待系統達到穩態時間過長，存在嚴重熱損耗問題；對高熱傳導材料來說，此方法僅適於較厚試片量測，在薄試片量測上因各溫度測量點間之溫度差異小，於熱傳導值的換算易有較大誤差。 本論文研究探討以暫態熱傳導之特性基礎，自製一兼具加熱與溫度感測功能之平面雙螺旋熱源量測元件，將元件緊密夾於待測試片中，量測此暫態平面熱源其溫度隨時間之響應以推得待測材料之熱傳導係數及熱擴散係數。此暫態平面熱源量測技術著重在加熱時熱源與待測試片其溫度隨時間之變化關係，不需等待系統達到熱穩態，量測時間遠低於傳統穩態量測技術。此外，吾人亦探討此暫態平面熱源量測技術於大氣及抽真空環境下之量測差異，發現在抽真空環境下可有效隔絕外界環境對流對待測試片之影響，大幅提升量測準確度。 本暫態平面熱源量測系統在5.75秒內量測出紅銅(JIS C1100)之熱傳導係數370.6 W/m‧k，與標稱平均值差異<5%；在3.5秒內量測出氮化鋁(AIN)材料之熱傳導係數188.5 W/m‧k，與中科院量測值誤差<0.78%；在5秒內量測出矽晶圓之熱傳導係數146.2 W/m‧k，與標稱平均值差異<7.47%；在4.6秒內量測出黃銅(JIS C2680)之熱傳導係數123.9 W/m‧k，與標稱平均值差異<4.6%；在80秒內量測出不鏽鋼(Stainless steel 304)之熱傳導係數20.69 W/m‧k，與標稱平均值差異<3.45%；在180秒內量測出壓克力板之熱傳導係數0.202 W/m‧k，與標稱平均值差異