超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測量方法及影響因素

田英良，劉亞茹，李建峰，王偉來，陳鑫鑫，李俊杰，司國棟，王 為

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124;2.中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024)

0 引 言

超薄玻璃是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，厚度小于1.1 mm的超薄玻璃具有表面平坦、硬度大、透光率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[1]。隨著玻璃的超薄化，又展現(xiàn)出可彎曲、質(zhì)量輕、可加工等新特性[2]，可被廣泛應(yīng)用于LCD/OLED等顯示器面板、新型照明、太陽能電池等領(lǐng)域，因此超薄玻璃被稱為最具發(fā)展?jié)摿Φ男虏牧现籟3]。

導(dǎo)熱系數(shù)是玻璃材料重要的熱學(xué)參數(shù)。利用導(dǎo)熱系數(shù)可計(jì)算玻璃的退火工藝，降低熱應(yīng)力導(dǎo)致玻璃缺陷的風(fēng)險(xiǎn)[4]。在制備顯示面板時(shí)，超薄玻璃需要經(jīng)過多次熱處理，準(zhǔn)確獲得超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)[5]。由于超薄玻璃薄型化、透光性的特點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)常規(guī)測試方法難以準(zhǔn)確測量[6]，原因在于玻璃變薄后，采用穩(wěn)態(tài)法測試時(shí)，不能在玻璃試樣上下兩面建立穩(wěn)定的溫度梯度，致使導(dǎo)熱系數(shù)測量不準(zhǔn)確[7-8]；非穩(wěn)態(tài)法測試時(shí)，由于玻璃太薄容易造成熱擊穿等問題[9]，特別是測試導(dǎo)熱系數(shù)較大的玻璃時(shí)，例如石英玻璃，測試數(shù)值會明顯偏低10%～15%[10]。由于玻璃的透光特性，在激光閃射法測試導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，需要在玻璃表面涂鍍不透明薄膜材料，且該方法測量結(jié)果只是熱擴(kuò)散系數(shù)，還需要測量玻璃密度、比熱容等參數(shù)[11]，最終計(jì)算得出玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，這些因素加大了測試結(jié)果誤差。因此，需要探究一種適合超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測量的新方法，來解決厚度小于1.1 mm的超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)難以測量的問題[12-13]。

針對超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測量所面臨的難題，本文提出“多層疊片法”超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法，重點(diǎn)分析了該方法測量超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的相關(guān)因素，將對超薄玻璃生產(chǎn)效率和良率提升具有重要支撐作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 測試原理

利用試樣存在溫度差時(shí)，熱流從溫度較高處向較低處傳導(dǎo)的原理。將冷極和熱極置于片狀試樣兩端，溫差會導(dǎo)致熱流通過試樣，根據(jù)已知試樣厚度、兩端溫差及端面面積獲得一維穩(wěn)態(tài)熱流量，進(jìn)而計(jì)算試樣導(dǎo)熱系數(shù)，其原理如圖1所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)法測量原理圖Fig.1 Steady-state measurement schematic diagram

1.2 測試設(shè)備

根據(jù)熱流計(jì)法測試原理構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要包括加熱源、冷極、熱極、加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及熱電偶等，如圖2所示。

圖2 熱流計(jì)法測試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat flow meter test device

為了保證導(dǎo)熱系數(shù)測量精度和可靠性，實(shí)驗(yàn)裝置須滿足以下要求：

(1)加熱器須為黃銅材質(zhì)，采用內(nèi)熱式結(jié)構(gòu)，選用高精度數(shù)顯溫控表控溫，為熱極提供穩(wěn)定熱源，溫度偏差小于0.2 ℃；

(2)冷極和熱極應(yīng)為直徑相同且導(dǎo)熱系數(shù)大于50 W/(m·K)的金屬材料，優(yōu)選直徑為30～40 mm，表面應(yīng)平整光滑；

(3)加壓系統(tǒng)由壓力傳感器和驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成，用于試樣加壓，滿足0～1 000 N可調(diào)；

(4)冷卻系統(tǒng)包括恒溫水槽和冷卻器，為冷極提供穩(wěn)定溫度，溫度偏差小于0.2 ℃；

(5)熱電偶選用分度值為0.1 ℃的熱電偶，在冷極和熱極上各放置2支熱電偶，要求同極溫度偏差不大于0.2 ℃。

1.3 計(jì)算公式

根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，可得導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式(1)。

(1)

式中:λs為測定樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λc為熱極平均溫度的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Ac為垂直于熱流方向的熱極截面積，m2；As為垂直于熱流方向的樣品截面積，m2；t1和t2分別為熱電偶1和2的溫度，℃；t3和t4分別為熱電偶3和4的溫度，℃；ds為樣品的厚度，m；l1為熱電偶1和2之間的距離，m；l2為熱偶3和4之間的距離，m。

1.4 試樣制備

實(shí)驗(yàn)采用多層疊片法，將多片超薄玻璃疊加至一定厚度，為避免空氣對導(dǎo)熱系數(shù)測量影響，因空氣在室溫導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023 W/(m·K)，會產(chǎn)生較大熱阻，嚴(yán)重影響熱流傳遞，導(dǎo)致最終測試結(jié)果偏差較大，故在超薄玻璃片之間需涂抹導(dǎo)熱硅脂，并且冷極和熱極表面也需要涂抹，疊加后的試樣如圖3所示。

圖3 超薄玻璃多層疊片試樣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch of ultra-thin glass multi-layer laminate specimen

1.5 重復(fù)性和離散性

選用玻璃導(dǎo)熱系數(shù)具有代表性石英玻璃和高鉛玻璃，對該方法進(jìn)行重復(fù)性和離散性分析。玻璃試樣厚度為0.5 mm，各取4片玻璃，按照上述操作步驟進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1可以看出，兩種玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.017 W/(m·K)和0.016 W/(m·K)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差都小于1.3%，說明該測試方法重復(fù)性良好，離散性較小，可以作為超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測試方法。

表1 重復(fù)性和離散性分析Table 1 Repeatability and dispersion analysis

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣疊加厚度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

首先選用玻璃導(dǎo)熱系數(shù)具有代表性的石英玻璃和高鉛玻璃，厚度規(guī)格為0.4 mm，然后疊加不同厚度，探究疊加厚度對導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果的影響，測試結(jié)果如圖4和5所示。

從圖4和圖5中可知，隨著玻璃疊加厚度的增加，導(dǎo)熱系數(shù)逐步增加，然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)石英玻璃疊加厚度達(dá)2.0 mm時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)接近1.41 W/(m·K)，基本達(dá)到平衡和穩(wěn)定，該結(jié)果與單片厚度5.0 mm的石英玻璃導(dǎo)熱系數(shù)1.41 W/(m·K)相當(dāng)；當(dāng)高鉛玻璃隨著疊加厚度增加其導(dǎo)熱系數(shù)增加，當(dāng)厚度超過2.0 mm時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.74 W/(m·K)，基本維持平衡和穩(wěn)定，與單片厚度5.0 mm的高鉛玻璃導(dǎo)熱系數(shù)0.72 W/(m·K)相當(dāng)。當(dāng)試樣厚度小于2.0 mm時(shí)，之所以出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果與厚度存在正相關(guān)，是因?yàn)椴Ａг嚇虞^薄時(shí)，玻璃試樣熱極的熱量很快就傳遞到冷極，為了保持上下極溫差，冷極開始加速冷卻，從而帶走了更多熱量，即使形成了冷熱極溫差，但是屬于偏離實(shí)際的“假”熱平衡現(xiàn)象，這樣計(jì)算時(shí)導(dǎo)致測試結(jié)果顯然偏小。此外，玻璃片疊加厚度和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，玻璃片疊加厚度應(yīng)越大，這主要是由于導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱量傳導(dǎo)越快，只有累計(jì)疊加厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，才能真正建立熱平衡。

圖4 石英玻璃疊加厚度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.4 Effect of superposition thickness of quartz glass on thermal conductivity

圖5 高鉛玻璃疊加厚度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of superposition thickness of high lead glass on thermal conductivity

2.2 導(dǎo)熱硅脂材料對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

分別選取四種導(dǎo)熱系數(shù)不同的導(dǎo)熱硅脂和一個無導(dǎo)熱硅脂空白樣作對比，研究不同導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅脂對多層疊片試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果影響，其中，單片石英厚度為0.5 mm，將4片進(jìn)行疊加，疊加厚度為2.1 mm(含有0.1 mm硅脂)，測試結(jié)果如表2所示。

表2 導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)對測試結(jié)果的影響Table 2 Effect of thermal conductivity of thermal grease on test results

從表2中可知，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)越大，對導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果影響越小。對于石英玻璃，當(dāng)導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)≥1.5 W/(m·K)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)測量值趨于石英玻璃的理論值1.41 W/(m·K)。盡管玻璃表面平整度很高，但表面依然具有微米級粗糙度，當(dāng)玻璃片進(jìn)行疊加時(shí)，玻璃片之間仍有空氣存在可能，而空氣室溫導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023 W/(m·K)，遠(yuǎn)小于玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)(一般0.7～1.4 W/(m·K))，這時(shí)的測量結(jié)果為玻璃和空氣的復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)，受空氣熱阻影響，會使測試結(jié)果偏小。玻璃片之間涂抹導(dǎo)熱硅脂，可以排出玻璃片之間的空氣，減小了空氣對導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果的影響。導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)越大，對測量結(jié)果影響越小，只有導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)超過玻璃材料，才會將測量影響到降到最低，石英玻璃導(dǎo)熱系數(shù)在透明無機(jī)玻璃中最大，故選擇的導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)不小于1.5 W/(m·K)時(shí)即可解決疊層之間的熱阻影響。

導(dǎo)熱硅脂對于玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的影響，主要是由于多層玻璃樣品涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí)，使樣品從“玻璃+空氣+玻璃”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安Ａ?硅脂+玻璃”結(jié)構(gòu)。

圖6 導(dǎo)熱硅脂在對導(dǎo)熱系數(shù)測量影響簡圖Fig.6 Schematic diagram of the effect of thermal grease on the measurement of thermal conductivity

根據(jù)傳熱學(xué)原理可知，導(dǎo)熱系數(shù)與傳遞介質(zhì)的熱阻相關(guān)。多層材料介質(zhì)之間的熱阻可以按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

R總=R玻1+R介質(zhì)層+R玻2+…

(2)

式中:R總為多層介質(zhì)的總熱阻，(m2·K)/W；R玻1為第一層玻璃的熱阻，(m2·K)/W；R介質(zhì)層為多層玻璃之間介質(zhì)層熱阻，(m2·K)/W；R玻2為第二層玻璃的熱阻，(m2·K)/W。

由此可知，多層玻璃之間介質(zhì)層的熱阻越大，對玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的影響越大，因此在多層疊加法測量玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)最大限度選用熱阻小的介質(zhì)層材料。

2.3 加載壓力對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

分別選用0～300 N加載壓力作用于由單片厚度為0.5 mm的石英玻璃疊加至厚度2.1 mm的疊層試樣，研究加載壓力對導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響，測試結(jié)果如表3所示。

表3 加載壓力對導(dǎo)熱系數(shù)的影響Table 3 Effect of loading pressure verification on thermal conductivity

從表3可知，隨著加載壓力增大，導(dǎo)熱系數(shù)趨于平衡。對于石英玻璃，當(dāng)沒有施加壓力時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.51 W/(m·K)，當(dāng)加載壓力到200 N后，導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定為1.41 W/(m·K)。

關(guān)于壓力對玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的影響，Nilsson[14]和Johari[15]等的研究表明，玻璃的密度會隨壓力的增加而增加，從而使玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)下降。但本實(shí)驗(yàn)采用的多層疊加法導(dǎo)熱系數(shù)測量方法與Nilsson[14]和Johari[15]等的理論并不相符，該理論僅適用于單層玻璃，對于疊層玻璃試樣，加載壓力的增大是為了克服空氣熱阻影響，當(dāng)加載壓力為0 N時(shí)，冷熱極端面、玻璃片與玻璃片之間仍有空氣存在，致使測量結(jié)果嚴(yán)重偏小。隨著加載壓力的增大，接觸面的空氣被排出，測試結(jié)果接近真值。

此外，當(dāng)加載壓力達(dá)到200 N時(shí)，導(dǎo)熱硅脂的厚度減薄至0.02 mm左右，進(jìn)一步降低了導(dǎo)熱硅脂對測試結(jié)果的影響。但在測試條件下玻璃為脆性材料，壓力不能過大，否則會壓碎玻璃試樣，故測試導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)一般選擇加載壓力為200～300 N。

2.4 冷熱極溫差對導(dǎo)熱系數(shù)測量的影響

分別選用5組不同冷熱極溫差值，測試由單片厚度0.5 mm石英玻璃疊加至厚度2.1 mm的玻璃試樣，研究冷熱極溫差對導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響，其中冷級溫度固定為20 ℃，其測試結(jié)果如表4所示。

表4 冷熱極溫差對導(dǎo)熱系數(shù)影響Table 4 Effect of extreme temperature difference on thermal conductivity

從表4可知，隨著冷熱極溫差增大，導(dǎo)熱系數(shù)增大。當(dāng)冷熱極溫差只有10 ℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)測量值為0.73 W/(m·K)，當(dāng)溫差增加到40 ℃以上，導(dǎo)熱系數(shù)測量值趨于平衡，為1.41 W/(m·K)，接近石英玻璃真值。這主要是因?yàn)楫?dāng)冷熱極溫差較小時(shí)，熱流勢差小，熱流傳遞較難，導(dǎo)致測試結(jié)果偏小。隨著冷熱極溫差的增大，熱流勢差變大，熱量從熱極流向冷級開始變得容易，當(dāng)溫差到達(dá)40 ℃，熱流已經(jīng)達(dá)到了平衡狀態(tài)，測試結(jié)果更加接近真值[16]。故采用多層疊片法測試超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇冷熱極溫差不小于40 ℃。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)玻璃試樣疊加厚度達(dá)到一定值時(shí)，才能建立熱平衡，且玻璃導(dǎo)熱系數(shù)越大，需要的疊加厚度越大，一般疊加厚度不小于2.0 mm。

(2)采用多片疊加法測量超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)盡可能選用導(dǎo)熱系數(shù)大(熱阻小)的材料作為玻璃疊層之間和試樣兩側(cè)聯(lián)接材料。

(3)疊層之間的空氣是影響導(dǎo)熱系數(shù)測量重要因素，對試樣施加壓力和使用導(dǎo)熱硅脂可以減小空氣對測試結(jié)果的影響，其中加載壓力優(yōu)選為200～300 N，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)不小于1.5 W/(m·K)。

(4)冷熱極溫差促進(jìn)穩(wěn)定熱流實(shí)現(xiàn)，冷熱極溫差越大，越容易構(gòu)建穩(wěn)定熱場，促進(jìn)疊層試樣導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果趨于真值，冷熱極溫差應(yīng)不小于40 ℃為佳。