GB/T 42919.1-2023 塑料 導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定 第1部分：通則

范圍
本文件確立了聚合物材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定方法的一般原則。
本文件適用于聚合物材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定。

術(shù)語(yǔ)和定義
GB/T 2035 界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。
熱脈沖  heat pulse
熱源的熱量變化產(chǎn)生的脈沖。
熱脈沖的能量  heat pulse energy
由熱源產(chǎn)生的熱脈沖的熱量。
注：?jiǎn)挝粸榻苟?J)。
熱源  heat source
嵌入或貼合在試樣上的絲、條、板或箱，或施加入射光(如激光)的區(qū)域。
熱通量  heat flux
q
單位時(shí)間和單位面積由平面熱源產(chǎn)生的熱源輸出。
注：?jiǎn)挝粸橥咛孛科椒矫?W/m²)。
線(xiàn)性熱流  linear heat flow
單位時(shí)間和單位長(zhǎng)度由線(xiàn)源產(chǎn)生的熱源輸出。
注：?jiǎn)挝粸橥咛孛棵?W/m)。
穿透深度  penetration depth
用于表征瞬態(tài)測(cè)定過(guò)程中熱量穿透試樣程度的特征深度。
注：?jiǎn)挝粸槊?m)。
溫度瞬變  temperature transient
由于受到一段時(shí)間的熱脈沖，最初溫度均勻分布的體系不能維待原有的平衡狀態(tài)，從而引起體系溫度的瞬時(shí)波動(dòng)。
容積熱容量  volumetric heat capacity
密度與比熱容的乘積。
注：?jiǎn)挝粸榻苟苛⒎矫组_(kāi)爾文[J/(m³·K)]。
蓄熱系數(shù)  thermal effusivity
b
由導(dǎo)熱系數(shù)與容積熱容扯乘積的平方根表示的導(dǎo)熱性能。
注：蓄熱系數(shù)按公式(1)計(jì)算：

式中：
b ——蓄熱系數(shù)，單位為焦耳每平方米開(kāi)爾文秒的平方根[J/ (m²·K·s^1/2)]；
λ ——導(dǎo)熱系數(shù)，單位為瓦特每米開(kāi)爾文[W/(m·K)]；
ρ ——密度，單位為千克每立方米(kg/m³)；
c_p——比熱容， 單位為焦耳每開(kāi)爾文千克[J/(K·kg)]。
熱阻率  thermal resistivity
導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)。
注：?jiǎn)挝粸槊组_(kāi)爾文每瓦特[(m·K)/W]。

原理
導(dǎo)熱系數(shù)用來(lái)表征以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行的熱縣傳遞。在導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試過(guò)程中， 可能會(huì)發(fā)生其他的傳熱方式，如對(duì)流、輻射、傳質(zhì)，當(dāng)以這些其他傳熱方式為主進(jìn)行熱量傳遞時(shí)，則以表觀(guān)導(dǎo)熱系數(shù)或有效導(dǎo)熱系數(shù)表征。測(cè)試條件如溫度、壓力、材料成分和試樣取向(各向異性試樣)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)果有影響。
在穩(wěn)態(tài)法的測(cè)試過(guò)程中，適宜尺寸的簡(jiǎn)單幾何形狀試樣與熱源接觸，同時(shí)配有一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器(可與熱源一體結(jié)構(gòu)或獨(dú)立結(jié)構(gòu))，從而使試樣在給定的溫度下達(dá)到平衡。
采用瞬態(tài)法測(cè)試時(shí)，試樣和熱源可以是接觸式的，也可以是非接觸式的。在測(cè)試時(shí)，熱脈沖會(huì)在試樣內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的溫度場(chǎng)，從而引起溫度瞬變。此時(shí)，溫度隨時(shí)間的變化(溫度響應(yīng))會(huì)被一個(gè)或多個(gè)傳感器檢測(cè)到，這些傳感器可與熱源一體，也可設(shè)置在離熱源固定距離的位置，如激光閃光法中傳感器位于試樣的另一側(cè)。當(dāng)測(cè)試非常薄的薄膜(厚度在納米范圍內(nèi))時(shí)，熱反射法(激光閃光分析的一種超快衍生法)更為適宜。本文件提供了兩種測(cè)試模式：后加熱/前檢測(cè)和前加熱/前檢測(cè)。根據(jù)相應(yīng)的傳熱模型和一系列適用于特定幾何形狀、邊界條件的理論公式， 對(duì)溫度響應(yīng)進(jìn)行分析。最后， 根據(jù)試樣和熱源的幾何形狀及產(chǎn)生溫度場(chǎng)的方式，可分別或同時(shí)獲得一個(gè)或多個(gè)熱物理性能。不同類(lèi)型的瞬態(tài)法的特點(diǎn)及可測(cè)試的性能見(jiàn)表1 。
注1：大多數(shù)未填充的塑料都屬于中等導(dǎo)熱材料(0.1W/m·K~1W/m·K)。其導(dǎo)熱性比泡沫和絕熱材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，但只有陶瓷和玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的五分之一。加入一些導(dǎo)熱填料可顯著提高導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)塑料的形狀和狀態(tài)，選擇不同的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法，見(jiàn)第5章及本文件的其他部分和其他參考標(biāo)準(zhǔn)中。
注2：使用參考物質(zhì)來(lái)驗(yàn)證的測(cè)試方法、校準(zhǔn)次選的測(cè)試方式是必要的。各國(guó)的國(guó)家基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，如NPL、NIST、LNE、NMU和PTB對(duì)許多固體材料進(jìn)行了表征，目前只有聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃纖維板IRMM-440和玻璃陶瓷BCR-724具有與大多數(shù)聚合物及聚合物填充材料相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)。玻璃纖維板IRMM-440和玻璃陶瓷BCR-724是歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心(JRC)提供的產(chǎn)品。提供此信息是為了方便本文件的用戶(hù)，并不構(gòu)成對(duì)該命名產(chǎn)品的認(rèn)可。聚二甲基硅氧烷和甘油是良好的液體參考物質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)也與塑料相當(dāng)。
注3：導(dǎo)熱系數(shù)λ可通過(guò)將熱擴(kuò)散系數(shù)α乘以恒壓條件下的比熱容c_p和密度ρ得到，即λ＝α • c_p• ρ。


試驗(yàn)方法
概述
目前已開(kāi)發(fā)出多種測(cè)試方法測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。表2列出了部分接觸式方法。5.2.3~5.2.5中所述試驗(yàn)方法的完整信息可見(jiàn)ISO 22007-2、GB/T 42919.3 和 GB/T 42919.4 。
在接觸式方法中，測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于傳感器與試樣之間良好的接觸。因此施加足夠的單軸壓力，可將試樣的各個(gè)部分和熱源緊密貼合。
注：導(dǎo)熱膠用來(lái)改善試樣與熱源的界面，但使用導(dǎo)熱膠可能導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，充分量化其結(jié)果才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。過(guò)多的導(dǎo)熱膠或涂抹在錯(cuò)誤的部位(如加熱器區(qū)域外)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。




瞬態(tài)法
熱線(xiàn)法
熱線(xiàn)法可用于測(cè)定聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化，僅適用于各向同性的材料，可以是板、泡沫、顆?；蚍勰┑榷喾N形式。熱線(xiàn)法主要用于測(cè)試固態(tài)聚合物，測(cè)試聚合物熔體時(shí)，溫度測(cè)試元件可能被損壞。
在一個(gè)試樣內(nèi)或在兩個(gè)相同試樣間放置一個(gè)金屬絲加熱器，通過(guò)鉑電阻溫度檢測(cè)器或放置在導(dǎo)線(xiàn)附近的熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。接通加熱器后，測(cè)定溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。
采用傅立葉微分方程可描述無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)材的瞬態(tài)熱流，如公式(2)所示：

式中：
t ——時(shí)間，單位為秒(s)；    Φ ——金屬絲產(chǎn)生的熱流攏，單位為瓦特(W)；
r ——加熱器與熱電偶之間的距離，單位為米(m)；
L ——金屬絲長(zhǎng)度，單位為米(m)；
λ ——導(dǎo)熱系數(shù)，單位為瓦特每米開(kāi)爾文[W/(m·K)]；
α ——熱擴(kuò)散系數(shù)，α＝λ/ρCp，單位為平方米每秒[m²/s]；
Ei(x) ——指數(shù)積分，由公式(3)得出：

當(dāng)r²/4αt的值小于1時(shí)，公式(2)可簡(jiǎn)化為公式(4)式中：

式中：
C=e^r；
r ——?dú)W拉常數(shù)，取0.577216。
由公式(4)可知，溫度變化ΔT(r，t)是時(shí)間自然對(duì)數(shù)的線(xiàn)性函數(shù)，試樣導(dǎo)熱系數(shù)可由公式(5)得出：

式中：
K ——溫度變化隨時(shí)間自然對(duì)數(shù)曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分的斜率。
使用如表2所示的試樣尺寸和熱源尺寸，在實(shí)際應(yīng)用情形下通常使用公式(5)。
注： 熱線(xiàn)法見(jiàn) ISO 8894-1、ISO 8894-2 和 ASTM C1113。


京都電子KEM 熱線(xiàn)法快速導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀 QTM-710