GB/T 42919.1-2023 塑料 導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)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(shù)和熱擴散系數(shù)測定方法的一般原則。
本文件適用于聚合物材料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定。

術(shù)語和定義
GB/T 2035 界定的以及下列術(shù)語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：單位為焦耳(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
單位時間和單位面積由平面熱源產(chǎn)生的熱源輸出。
注：單位為瓦特每平方米(W/m²)。
線性熱流  linear heat flow
單位時間和單位長度由線源產(chǎn)生的熱源輸出。
注：單位為瓦特每米(W/m)。
穿透深度  penetration depth
用于表征瞬態(tài)測定過程中熱量穿透試樣程度的特征深度。
注：單位為米(m)。
溫度瞬變  temperature transient
由于受到一段時間的熱脈沖，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波動。
容積熱容量  volumetric heat capacity
密度與比熱容的乘積。
注：單位為焦耳每立方米開爾文[J/(m³·K)]。
蓄熱系數(shù)  thermal effusivity
b
由導熱系數(shù)與容積熱容扯乘積的平方根表示的導熱性能。
注：蓄熱系數(shù)按公式(1)計算：

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

原理
導熱系數(shù)用來表征以熱傳導方式進行的熱縣傳遞。在導熱系數(shù)的測試過程中， 可能會發(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行熱量傳遞時，則以表觀導熱系數(shù)或有效導熱系數(shù)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(shù)的結(jié)果有影響。
在穩(wěn)態(tài)法的測試過程中，適宜尺寸的簡單幾何形狀試樣與熱源接觸，同時配有一個或多個溫度傳感器(可與熱源一體結(jié)構(gòu)或獨立結(jié)構(gòu))，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，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，熱脈沖會在試樣內(nèi)產(chǎn)生一個動態(tài)的溫度場，從而引起溫度瞬變。此時，溫度隨時間的變化(溫度響應(yīng))會被一個或多個傳感器檢測到，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)。當測試非常薄的薄膜(厚度在納米范圍內(nèi))時，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(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， 對溫度響應(yīng)進行分析。最后， 根據(jù)試樣和熱源的幾何形狀及產(chǎn)生溫度場的方式，可分別或同時獲得一個或多個熱物理性能。不同類型的瞬態(tài)法的特點及可測試的性能見表1 。
注1：大多數(shù)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數(shù)量級以上，但只有陶瓷和玻璃導熱系數(shù)的五分之一。加入一些導熱填料可顯著提高導熱系數(shù)。根據(jù)塑料的形狀和狀態(tài)，選擇不同的導熱系數(shù)的測試方法，見第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。各國的國家基準實驗室，如NPL、NIST、LNE、NMU和PTB對許多固體材料進行了表征，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?shù)膶嵯禂?shù)。玻璃纖維板IRMM-440和玻璃陶瓷BCR-724是歐盟委員會聯(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，并不構(gòu)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(shù)也與塑料相當。
注3：導熱系數(shù)λ可通過將熱擴散系數(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。


試驗方法
概述
目前已開發(fā)出多種測試方法測定導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。表2列出了部分接觸式方法。5.2.3~5.2.5中所述試驗方法的完整信息可見ISO 22007-2、GB/T 42919.3 和 GB/T 42919.4 。
在接觸式方法中，測定結(jié)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，可將試樣的各個部分和熱源緊密貼合。
注：導熱膠用來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(jié)果才能得到準確的結(jié)果。過多的導熱膠或涂抹在錯誤的部位(如加熱器區(qū)域外)可能導致錯誤的結(jié)果。




瞬態(tài)法
熱線法
熱線法可用于測定聚合物的導熱系數(shù)隨溫度的變化，僅適用于各向同性的材料，可以是板、泡沫、顆粒或粉末等多種形式。熱線法主要用于測試固態(tài)聚合物，測試聚合物熔體時，溫度測試元件可能被損壞。
在一個試樣內(nèi)或在兩個相同試樣間放置一個金屬絲加熱器，通過鉑電阻溫度檢測器或放置在導線附近的熱電偶進行溫度測量。接通加熱器后，測定溫度隨時間的變化關(guān)系。
采用傅立葉微分方程可描述無限長線材的瞬態(tài)熱流，如公式(2)所示：

式中：
t ——時間，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 ——金屬絲長度，單位為米(m)；
λ ——導熱系數(shù)，單位為瓦特每米開爾文[W/(m·K)]；
α ——熱擴散系數(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r²/4αt的值小于1時，公式(2)可簡化為公式(4)式中：

式中：
C=e^r；
r ——歐拉常數(shù)，取0.577216。
由公式(4)可知，溫度變化ΔT(r，t)是時間自然對數(shù)的線性函數(shù)，試樣導熱系數(shù)可由公式(5)得出：

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


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