GB/T 42919.1-2023 塑料 導熱系數和熱擴散系數的測定 第1部分：通則

范圍
本文件確立了聚合物材料導熱系數和熱擴散系數測定方法的一般原則。
本文件適用于聚合物材料導熱系數和熱擴散系數的測定。

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(cháng)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  thermal effusivity
b
由導熱系數與容積熱容扯乘積的平方根表示的導熱性能。
注：蓄熱系數按公式(1)計算：

式中：
b ——蓄熱系數，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 ——導熱系數，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
導熱系數的倒數。
注：?jiǎn)挝粸槊组_(kāi)爾文每瓦特[(m·K)/W]。

原理
導熱系數用來(lái)表征以熱傳導方式進(jìn)行的熱縣傳遞。在導熱系數的測試過(guò)程中， 可能會(huì )發(fā)生其他的傳熱方式，如對流、輻射、傳質(zhì)，當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)導熱系數或有效導熱系數表征。測試條件如溫度、壓力、材料成分和試樣取向(各向異性試樣)對導熱系數的結果有影響。
在穩態(tài)法的測試過(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(可與熱源一體結構或獨立結構)，從而使試樣在給定的溫度下達到平衡。
采用瞬態(tài)法測試時(shí)，試樣和熱源可以是接觸式的，也可以是非接觸式的。在測試時(shí)，熱脈沖會(huì )在試樣內產(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)會(huì )被一個(gè)或多個(gè)傳感器檢測到，這些傳感器可與熱源一體，也可設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。當測試非常薄的薄膜(厚度在納米范圍內)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試模式：后加熱/前檢測和前加熱/前檢測。根據相應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， 對溫度響應進(jìn)行分析。最后， 根據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)及可測試的性能見(jiàn)表1 。
注1：大多數未填充的塑料都屬于中等導熱材料(0.1W/m·K~1W/m·K)。其導熱性比泡沫和絕熱材料高一個(gè)數量級以上，但只有陶瓷和玻璃導熱系數的五分之一。加入一些導熱填料可顯著(zhù)提高導熱系數。根據塑料的形狀和狀態(tài)，選擇不同的導熱系數的測試方法，見(jiàn)第5章及本文件的其他部分和其他參考標準中。
注2：使用參考物質(zhì)來(lái)驗證的測試方法、校準次選的測試方式是必要的。各國的國家基準實(shí)驗室，如NPL、NIST、LNE、NMU和PTB對許多固體材料進(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具有與大多數聚合物及聚合物填充材料相當的導熱系數。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)，并不構成對該命名產(chǎn)品的認可。聚二甲基硅氧烷和甘油是良好的液體參考物質(zhì)，其導熱系數也與塑料相當。
注3：導熱系數λ可通過(guò)將熱擴散系數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。


試驗方法
概述
目前已開(kāi)發(fā)出多種測試方法測定導熱系數和熱擴散系數。表2列出了部分接觸式方法。5.2.3~5.2.5中所述試驗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，測定結果的準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：導熱膠用來(lái)改善試樣與熱源的界面，但使用導熱膠可能導致測量不準確，充分量化其結果才能得到準確的結果。過(guò)多的導熱膠或涂抹在錯誤的部位(如加熱器區域外)可能導致錯誤的結果。




瞬態(tài)法
熱線(xiàn)法
熱線(xiàn)法可用于測定聚合物的導熱系數隨溫度的變化，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)法主要用于測試固態(tài)聚合物，測試聚合物熔體時(shí)，溫度測試元件可能被損壞。
在一個(gè)試樣內或在兩個(gè)相同試樣間放置一個(gè)金屬絲加熱器，通過(guò)鉑電阻溫度檢測器或放置在導線(xiàn)附近的熱電偶進(jìn)行溫度測量。接通加熱器后，測定溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。
采用傅立葉微分方程可描述無(wú)限長(cháng)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(cháng)度，單位為米(m)；
λ ——導熱系數，單位為瓦特每米開(kāi)爾文[W/(m·K)]；
α ——熱擴散系數，α＝λ/ρCp，單位為平方米每秒[m²/s]；
Ei(x) ——指數積分，由公式(3)得出：

當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 ——歐拉常數，取0.577216。
由公式(4)可知，溫度變化ΔT(r，t)是時(shí)間自然對數的線(xiàn)性函數，試樣導熱系數可由公式(5)得出：

式中：
K ——溫度變化隨時(shí)間自然對數曲線(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。


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