碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）、玻璃纤维环氧板、陶瓷基复合材料（CMC）等因其高比强度、可设计性强等优势，已成为高端制造领域的明星材料。然而，在实际应用中，热性能——包括导热能力、热膨胀行为、耐热稳定性——往往成为制约其可靠性的关键瓶颈。
例如，5G基站功放模块中的高频覆铜板若热导率不足，会导致局部过热；卫星结构件若热膨胀系数（CTE）与金属部件不匹配，可能在轨变形失效。因此，科学评估复合材料的热性能，已从“可选项”变为“必选项”。
本文将系统梳理主流热性能测试方法与分析工具，为研发与质检提供实用指南。
一、复合材料关键热性能参数及意义
| 热性能参数 | 物理意义 | 应用影响 |
|---|---|---|
| 热导率（Thermal Conductivity, λ） | 材料传导热量的能力（W/m·K） | 决定散热效率，影响电子器件温升 |
| 热膨胀系数（CTE, α） | 单位温度变化引起的长度/体积变化（ppm/℃） | 影响与金属/硅等异质材料的界面可靠性 |
| 玻璃化转变温度（Tg） | 聚合物基体从玻璃态向高弹态转变的温度 | 决定最高使用温度（通常 T_use ≤ Tg – 30℃） |
| 热分解温度（Td） | 材料开始发生化学分解的温度 | 表征加工与服役上限温度 |
| 比热容（Cp） | 单位质量材料升高1K所需热量（J/g·K） | 用于热仿真建模 |
二、主流热性能测试方法与标准
1. 差示扫描量热法（DSC）
- 用途：测定 Tg、固化放热、熔融焓、比热容
- 标准：ASTM E793（Tg）、ISO 11357
- 操作要点：
- 升温速率通常 10℃/min
- Tg 判据：取热容突变中点或拐点
- 案例：某环氧/碳纤预浸料 DSC 测得 Tg = 185℃，满足航空结构件要求（>177℃）
2. 热机械分析（TMA）
- 用途：测量 CTE、软化点、尺寸稳定性
- 模式：膨胀计模式（Expansion）、三点弯曲（Flexure）
- 标准：ASTM E831、ISO 11359-2
- 技巧：
- 测试前需消除内应力（阶梯升温）
- 各向异性材料需分别测 0°（纤维方向）与 90° 方向
3. 激光闪射法（LFA, Laser Flash Analysis）
- 用途：测定热扩散系数（α），结合密度与比热计算热导率 λ = α·ρ·Cp
- 标准：ASTM E1461、ISO 22007-4
- 优势：
- 适用温度范围广（-120℃ ~ 2500℃）
- 可测各向异性（面内 vs 厚度方向）
- 注意：样品需表面涂黑（提高光吸收率）
4. 热重分析（TGA）
- 用途：评估热稳定性、填料含量、挥发物比例
- 输出：Td（通常取失重5%对应温度）
- 联用技术：TGA-FTIR 可识别分解气体成分（如H₂O、CO₂）
三、典型复合材料热性能测试组合建议
| 应用场景 | 关键需求 | 推荐测试组合 |
|---|---|---|
| 电子封装基板（如高频PCB） | 低CTE、高λ、高Tg | TMA（CTE）+ LFA（λ）+ DSC（Tg） |
| 航天结构件（CFRP） | 尺寸稳定性、耐高低温 | TMA（-60~150℃ CTE）+ DSC（Tg）+ 热循环后力学复测 |
| 动力电池绝缘板 | 阻燃、耐热、低热变形 | TGA（Td）+ UL94燃烧 + TMA（热变形温度） |
| 导热垫片（硅胶+陶瓷填料） | 高λ、柔韧性 | LFA（面内/厚度λ）+ DMA（储能模量） |
深圳晟安检测在《先进复合材料热管理解决方案》技术白皮书中强调：“单一热参数无法反映真实工况，必须结合材料结构（如纤维取向、层压方式）进行多维测试。”
四、数据分析与常见误区
| 误区 | 正确认知 |
|---|---|
| “热导率越高越好” | 需平衡导热与电绝缘（如AlN高λ但导电，Al₂O₃更安全） |
| “Tg = 使用温度上限” | 实际使用温度应低于 Tg 20–30℃，尤其动态载荷下 |
| “CTE 各向同性” | 纤维增强复合材料 CTE 在纤维方向显著低于垂直方向 |
| “LFA 数据直接等于热导率” | 必须同步测量密度与比热，否则结果偏差 >15% |
五、实际案例：5G基站高频覆铜板热性能优化
- 问题：客户反馈某LCP/PTFE基板在高功率下温升超标
- 测试发现：
- LFA 测得厚度方向 λ = 0.35 W/m·K（偏低）
- TMA 显示 Z 向 CTE = 48 ppm/℃（远高于铜的 17 ppm/℃）
- 根因：树脂基体占比过高，缺乏导热填料
- 改进：引入氮化硼（BN）纳米片定向排列
- 结果：λ 提升至 1.2 W/m·K，Z-CTE 降至 22 ppm/℃，通过客户热仿真验证
总结：以热性能为锚，驱动复合材料创新落地
在“双碳”目标与高端制造升级背景下，复合材料正从“结构承载”向“功能集成”演进。热性能作为连接材料设计与工程应用的关键桥梁，其精准测试与科学解读，将直接决定产品能否在严苛环境中稳定运行。
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