先进的热导率测试能力，助力优化电动汽车热管理。加快您的产品上市时间

围绕热管理的问题是电动汽车（EV）面临的最大挑战领域之一。电动汽车制造商没有太多时间来应对这一挑战。热管理不善可能导致产品性能下降、使用寿命缩短，在最坏的情况下，还可能发生热失控事件，从而对产品和 / 或用户造成严重损害。为避免此类问题，正确了解电动汽车制造过程中所使用材料的热导率至关重要，尤其是电池材料的热导率。鉴于该行业正经历重大变革，工程团队面临着巨大压力，既要缩短产品上市时间，又要达到保持竞争力所需的质量性能，因此迅速了解这一点很重要。

C-Therm 公司的Trident热导率仪具备先进功能，能够对组件和材料的散热特性提供关键见解。

准确的数据对于材料选择和计算热建模（有限元分析/计算流体动力学）目的至关重要。在电动汽车整体热管理中，热导率被视为关键性能属性的一些例子包括：

1. 电池组和外壳
2. 电动汽车冷却液
3. 用于电池冷却的相变材料（PCM）
4. 电机灌封胶及其他热界面材料（TIMs）
5. 电机定子内的轴向冷却通道
6. 3D 打印部件（金属和塑料）
7. 用于能量收集的热电发电机
8. 蜂窝陶瓷
9. 电机浸渍树脂
10. 导热胶粘剂

图1. 配备 MTPS、TPS 和 TLS 传感器的Trident热导率仪

需要明白的是，许多传统的热导率测量方法并不适用于上述多种材料。为这类应用开发的复合材料通常具有各向异性，其轴向和径向的散热性能相差一个数量级。这些复合材料通常是填充材料，在聚合物基体中添加了氮化硼等添加剂以及其他导电填料。了解这些填料的分布对于理解整体性能至关重要。这些材料通常并非均质，假设材料均质的测量方法会严重歪曲其真实的热导率性能。测试液体时，需要仔细考虑对流作为误差源所产生的影响。在优化电动汽车的热管理时，需要一个能够适应这些不同情况，并具备测试固体（各向同性、各向异性或正交各向异性）、液体和薄膜热导率能力的平台。

Trident 公司在测量和测试电动汽车材料及部件的热导率性能方面具备最先进的能力。Trident 整合了三种最强大的瞬态热导率测量方法。瞬态方法能缩短测试时间，并提高样品适用性。如需进一步了解该公司如何帮助电动汽车工程师和研究人员加快产品上市时间，欢迎与我们联系。

测量汽车零部件的热导率

如今的汽车行业在车辆制造中采用了各种各样的材料。从复合内饰板到轮胎中的橡胶，以及介于两者之间的所有材料，即使是最简单的车型，现代汽车制造也会使用大量的零部件。虽然有许多材料性能需要考虑，但热导率（k）以及诸如热扩散系数等相关热性能，对几乎所有相关领域都至关重要。

高导热材料对于刹车片和发动机部件等必须散热的部件至关重要。新型混合动力汽车和电动汽车通过设计采用了热导率极低的部件，以提高能量转换效率。汽车复合材料通常具有各向异性或与方向相关的热传递特性。能够区分贯穿平面和平面内方向的有效热传递特性非常重要。由于众多机械、结构和电气部件协同工作，正确了解众多部件的热特性对于整体性能和制造质量至关重要。

图2. 网络研讨会的数据显示，与标准间隙材料相比，Beam Global 公司获得专利的相变材料在防止热失控方面更为有效

图3. 我们与热分析公司（ThermalAnalytics）共同举办的网络研讨会成果，重点介绍了各向异性材料在电动汽车中作为散热片的应用。数据是通过 MTPS 传感器采集的。

图4. 专用的 TPS 各向异性工具用于测量电动汽车电池外壳的各向异性，这对电池热管理系统（BTMS）至关重要。数据来自与Martin橡胶公司共同举办的一场网络研讨会

图5. 由于气凝胶的导热系数极低，它们越来越多地被用作电动汽车电池组中的隔热材料，C-Therm 公司的Trident MTPS 方法为快速表征气凝胶的导热性能提供了一种有效途径

图6. 提高电动汽车电机灌封胶的热导率，可使温度降低多达 30%

图7. 为避免热管理问题，充分了解电动汽车制造中所用材料的热导率至关重要

图8. 热导率对电动汽车的性能有多重要？研究人员已经证明，电动机灌封化合物的热导率发生微小变化，就会导致电动机峰值温度发生较大变化。对于热导率低于 4 W/mK的候选灌封材料，热导率每变化 1 W/mK，电动机峰值温度的变化百分比范围约为 33% 至 20%

图9. C-Therm 的热导率测量仪器正在帮助电动汽车电池组设计师和原始设备制造商优化散热，从而提升电动汽车的安全性、耐用性和性能

测量汽车内饰的热扩散率

从 A 点到 B 点的行驶已不再是衡量一辆优质汽车的标准。从入门级车型到更豪华的车型，外观和内饰布局对买家的认知有着巨大影响。用于内饰的材料不仅要外观时尚，还必须让顾客感到舒适，觉得汽车工艺精良。越来越多的复合材料被应用于汽车内饰。它们具有更高的耐用性、更轻的重量和更高的生产效率等优势。然而，消费者通常更喜欢天然材料的外观，比如皮革（座椅）和木材（镶板）。当消费者触摸那些看起来很像这些天然材料但摸起来却像塑料的复合材料时，失望或对质量的质疑可能会对购买决策产生负面影响。这种触感可以通过 C-Therm 直接测量材料热扩散率这一独特能力进行量化测量。

另一个大多数人都能感同身受的例子是人造皮革内饰与织物内饰的使用。虽然皮革选项往往代表着更高档的车辆，但在炎热气候下，滚烫的皮革触感会让人很不舒服，织物替代品可能是更好的选择。

C-Therm 的一系列热导率和热扩散率表征设备，能为您的测试需求提供现成的解决方案。灵活、通用且精确的Trident热性能分析仪，是分析当今道路上所有类型车辆所用各种材料的理想选择。

图10. 使用 Trident 进行快速热导率测试

案例亮点一

测试电池热管理系统（相变材料和主动冷却）

商用锂离子电池因安全性、与循环寿命相关的成本、低温性能以及电池中的热效应（过充可能导致爆炸）而存在障碍。目前正在探索更好的电池热管理系统（BTMS），包括主动冷却（风扇和液体）和被动冷却（相变材料（PCM））。研究了使用碳基纳米颗粒提高这些相变材料的热导率。

使用 C-Therm 公司的改进型瞬态平面源传感器对用于电池的相变材料的热导率增强进行了研究。对纯蜡、5% 负载和 10% 负载的样品在相变前后（固态和液态）进行了测试。

图11. 相变材料（PCM）样品的热导率与纳米颗粒质量分数及温度的关系

观察到热导率显著增加，从 0.25 W/mK增至高达 2.75 W/mK。使用厚度为 2 mm、重量负载分别为 5% 和 10% 的材料层，与纯石蜡相比，该相变材料可使电池温度分别降低 1.2℃和 1.9℃。

图12. 行驶循环结束时，模块内 3 毫米厚纯蜡（左）和 1 毫米质量百分比的 NePCM（右）的温度分布

本实验使用 C-Therm 公司的改良型瞬态平面源传感器进行

案例亮点二

刹车片的导热系数：半金属与陶瓷

制动功率对于汽车安全运行的重要性毋庸置疑，这促使人们不断研究适用于现代制动系统的材料的最佳特性。本说明展示了如何使用 C-Therm Trident 热导率分析仪系统，通过其多传感器选项，有效地测量各种类型样品的热导率（k）。

简单来说，制动器的工作原理是首先将车辆运动的动能转化为热能，然后将这些热量散发到大气中。现代制动系统中最重要的部件是刹车片。传统上，刹车片由纯金属制成，因为它们具有较高的热导率，这使得它们具有非凡的抗热应力和散发热量的能力。不幸的是，金属部件重量较大，进而会降低整体效率。如今，大多数刹车片已被半金属、陶瓷或有机复合材料所取代，以克服纯金属的缺点。各种刹车片类型的简要概述见下表 1。

表 1. 刹车片类型和注意事项

虽然有许多需要考虑的因素（见上文），但最终制动力与热导率的关系最为密切。为了展示其精确且准确地测试各种刹车片材料的能力，使用了一台 C-Therm Trident 热导率分析仪，该分析仪采用瞬态平面热源（TPS）配置，按照 ISO 22007 - 2 标准运行，以比较半金属刹车片和陶瓷刹车片（见图 13 和图 14）。这两种刹车片均为基础款（价格低于 100 美元），不过需要注意的是，陶瓷刹车片的价格要高出约 20%。对于这些样品的测试，报告结果为五次测试的平均值。

图 13. 半金属制动片

图14. 陶瓷刹车片

图15. 半金属和陶瓷刹车片的热导率

从上述图 15 可以看出，半金属制动片的热导率为 4.36 W/mK，而陶瓷制动片仅约为 2.79 W/mK（相差 44%）。由于样品质地坚硬，Trident 的瞬态平面热源（TPS）配置是测试这些制动片的最佳方式。虽然此处未作报告，但需要注意的是，C-Therm 的 TPS 模块还能同时收集和显示扩散率数据，以满足同时需要这两种数据的应用场景。所有测试的精度优于 1.7%。上述结果清楚地表明，半金属制动片的热性能优于陶瓷制动片，且价格更低。最终，较高的热导率将提升制动性能，因为它能更好地散发产生的热量，降低制动系统的净热应力。

案例亮点三

测试填充聚合物灌封胶的导热系数：CoolMag 28

填充聚合物具有吸引力，因为其性能高度可定制，使工程师能够设计出一种材料，为目标应用实现热性能和机械性能的恰当组合。此外，与其他复合材料相比，它们重量较轻。填充聚合物制成的飞机部件重量可能仅为钢部件的几分之一，同时却能保持相近的强度。

在热管理中，填充聚合物常被用作电子设备中的灌封化合物，以降低热接触电阻并固定电气元件。灌封化合物被设计成固体或凝胶状材料，为电子元件提供结构支撑和物理保护，同时还能散热和排气，以防止电晕放电等气体现象。对于高性能电子设备中更好的散热而言，人们越来越需要具有更高热导率的灌封化合物。在广泛的温度范围内准确且可重复地测量热导率是一项关键的性能检测，使用 C-Therm 的 Trident 热导率仪可在实验室轻松完成此项检测。

图16. 测试热导率

填充聚合物灌封材料的一个绝佳示例是 CoolMag™，其设计目的是相较于纯有机硅灌封材料，提升热性能。

众所周知，传导热传递是通过声子的传输实现的。金属由于拥有大量自由电子，其导电性非常高。采用具备足够振动能力的合适材料结构以及恰当的晶格，能够在无需电子移动的情况下实现声子传输。

这就是 CoolMag™28 的基础，它是由一系列尺寸比例为 R、R/2、R/4、… R/2n 的微米和纳米颗粒组成，通过使用高密度、高比热容和高导热性的晶体，并由一层极薄的以二氧化硅（如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)）为基础且无机成分含量高的聚合物粘结，从而提高扩散率，形成一种固态各向同性结构。

其优势何在？各向同性结构将从热点到冷点的一维热传递问题转变为全新的三维挑战，因为此时热点被微米和纳米颗粒构成的三维矩阵所包围，这些颗粒通过封闭表面（等温面）传递热量。

图17. 带灌封胶的电动汽车校正扼流圈

上图：适用于电动汽车的三相 7 千瓦功率因数校正扼流圈组。在满功率且配备液冷板的情况下，露天部分温度达到 180ºC，而采用 Coolmag™28 纳米复合材料低压注入的部分在相同条件下温度达到 105ºC。

CoolMag™是一种导热复合材料，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的双组分弹性体灌封化合物，专为汽车电力电子设备设计，尤其适用于具有多种功能的电动汽车：

1. 热传递、减少热点以及降低系统的平均温度。
2. 电气隔离
3. 机械保护。

防火阻燃（阻燃与灭火）。CoolMag™专为电子灌封应用提供热导率、电气安全、危险防护、机械防护及防火保护。

下图展示了采用 CoolMag™28 的大电流扼流圈在满载 65ºC 时如何保持稳定，以及未采用 CoolMag™28 的扼流圈如何在短短 300 s内达到居里温度。

图18. 使用和不使用 CoolMag28 树脂时的电感

为了更好地了解 CoolMag™ 28 样品的热性能，使用配备 Flex TPS（双面）测试方法的 C-Therm Trident 仪器收集了热传递数据，用于热导率分析。该样品的热导率比纯硅树脂预期的热导率提高了十倍。

图19. 用于热导率测试的Premo导热灌封胶样品

图20. 导热灌封胶 CoolMag 28 的特性

案例亮点四

汽车内饰复合镶板的热扩散率分析

由于汽车制造的结构和机械方面受到广泛关注，因此不能忘记衡量优质车辆的标准还包括个人的舒适度。简单的方面，例如室内织物或镶板的“触感”，都可以增加或减少客户体验。本说明展示了如何使用 C-Therm Trident 系统不仅获得重要的导热系数 （k），还可以使用改进的瞬态平面源 （MTPS） 传感器同时获得 5 至 40,000 Ws^1/2/m²K 范围内的热流出数据。

热散发性在个人对触觉的感知中起着巨大的作用，并且最常与纺织品相关（见图 21）。虽然纺织品在时尚和服装领域有着广泛的应用，但汽车内饰在纺织品研发方面也要求很高。室内装饰面料、内饰镶板等方面都是纺织品的重领域，需要对热溢出性能进行稳健而精确的测试。比较合成材料与天然材料的质量感知的能力对于产品开发也非常重要，也是 C-Therm 的热分析仪系列可以对各种材料类型提供快速、精确的测试结果的另一个领域。

图 21. 蜂窝镶板

以下是对各种汽车公司的架空镶板的研究，这些镶板不仅有助于隔热，还有助于隔音。使用 C-Therm 的热分析仪在 MTPS 配置中在正面（内部）和背面（外部）进行测试。为了测试这些样品，面板层至少由面向内部的织物、板或泡沫芯和面向外部的背衬材料组成。报告的测试值是每侧 3 次测试的平均值。渗出性测试结果如下图22所示。

图 22. 汽车复合材料镶板的 MTPS 热发烧率分析

从上图可以看出，在所有情况下，内饰面织物的热流出率都低于外饰面背衬材料。这是一种有目的的设计，因为作为汽车内部直接可见的较低的热散发率侧具有更好的保持内部温度的能力。相反，具有较大热散发性的背面材料将更好地散发外部环境的任何外部热量。应该指出的是，在这项研究中，现代镶板材料导致前侧和后侧的热散发率最高。

案例亮点五

不同负载量的碳纳米管对橡胶复合材料性能改进的影响

如今的轮胎并非由纯橡胶制成，而是由弹性体、增强纤维、增塑剂等多种复合材料构成，这些材料有助于提升性能并延长使用寿命。由于添加剂的非均匀分散等问题，复合材料的制造本质上可能较为复杂，这可能会导致薄弱点。因此，不仅要能够测量，还要 “绘制” 感兴趣的结果，这一点至关重要。本说明将有助于阐述热导率（k）在复合轮胎制造中的重要性，以及如何使用 C - Therm 公司的 Trident 系统，通过符合 ASTM D7984 标准的改良瞬态平面源（MTPS）传感器获取关键信息。这种专利的单面传感器非常适合节奏快速的质量保证 / 质量控制以及研发环境，测试时间为 0.8 到 3 秒。

轮胎与路面之间的摩擦力精确决定了你能以多快的速度加速、转弯，最重要的是，能以多快的速度刹车。从最基本的层面来讲，可以认为摩擦力来自相互挤压接触的两个物体之间的 “表面粗糙度”。摩擦力还与摩擦系数（µ）成正比。与所有涉及摩擦的情况一样，产生的热量在整体性能中起着重要作用。因此，务必深入了解热导率特性。如需深入了解汽车轮胎与摩擦背后的物理原理，这里有洛杉矶大学的米歇尔・范・比赞（Michel Van Biezan）制作的详细视频。

2015 年，雅西技术大学材料科学与工程学院的P. Vizureanu 等人采用了 C Therm 公司的 MTPS 方法，旨在研究不同碳纳米管（CNT）浓度的增强橡胶复合材料的性能。单面 MTPS 模块非常适合分析这些样品类型，因为它能直接测量热导率和热扩散系数，从而详细概述样品的热特性。研究人员在两种不同的基材厚度（10 毫米和 20 毫米）上研究了 5% - 30% 不同碳纳米管负载量的情况。这项研究的结果见图 23（如下）。数据代表每个样品 10 次测试的平均结果。

图 23. 橡胶复合材料样品的 MTPS 热导率分析

图 24. 不同碳纳米管浓度下橡胶复合材料的扫描电子显微镜成像

P. Vizureanu 等人（2015 年）发现，碳纳米管（CNT）浓度的增加会导致热导率整体上升（见图 23）。最值得注意的是，对于 10 毫米和 20 毫米的样品，30% 的碳纳米管负载量使热导率增幅最大，约为 26%。进一步分析发现，热导率的有效提升不仅取决于碳纳米管的浓度，还与添加剂的几何形状和分布有关。得出的结论是，热导率的大幅提升对于所有需要热输入的应用来说都是一项成功。尽管本文是定性分析（见图 24），但它很好地说明了无损 MTPS 方法如何能够对样品进行高精度（优于 1%）的热成像，从而对碳纳米管的整体分布获得定量认识。

案例亮点六

电动汽车中的灌封胶

在电子领域，灌封化合物通常是必不可少的，用于保护成品免受振动、腐蚀、放电和其他杂质的影响。电动汽车（EV）行业也体现了这一点，因为它们不仅需要电绝缘灌封化合物，还需要具有高导热性的材料。

图 25. 电机部件方面，灌封化合物对于冷却和保护电机是必要的，必须选择导热性合适的化合物

拥有合适的热导率对于确保所有电气元件得到充分冷却至关重要。由于所有元件都有其不得超过的最高温度，因此热导率成为选择灌封化合物时的一个关键参数。为了更高效地散热，这些化合物需要具备高的热导率。然而，诸如电导率、耐化学性和柔韧性等其他物理特性必须与热性能要求相平衡；这意味着必须了解许多不同化合物在多种不同条件下的热导率。

有必要在预期条件下对这些化合物进行测试，以获得最具代表性的结果，这就需要适应性强且灵活的测试仪器。