GB/T 42919.1-2023 塑料 導熱係數(shù)和熱擴散係(xì)數(shù)的(dí)測定(dìng) 第(dì)1部分：通則(zé)

範(fàn)圍
本文件確(què)立了(liǎo)聚(jù)合物(wù)材料導熱係數和熱(rè)擴散(sàn)係數測(cè)定方(fāng)法的(dí)一般原則。
本文(wén)件適用(yòng)於聚(jù)合物材料(liào)導熱(rè)係數和(hé)熱擴(kuò)散(sàn)係數的測(cè)定(dìng)。

術語和(hé)定(dìng)義(yì)
GB/T 2035 界定的(dí)以及下列術語(yǔ)和定(dìng)義適用於本(běn)文件(jiàn)。
熱脈(mài)衝(chōng)  heat pulse
熱(rè)源的熱(rè)量(liáng)變化(huà)產(chǎn)生(shēng)的脈衝。
熱脈衝的(dí)能(néng)量  heat pulse energy
由(yóu)熱源產生的(dí)熱(rè)脈(mài)衝(chōng)的(dí)熱量。
注：單位為焦耳(ěr)(J)。
熱源  heat source
嵌(qiàn)入(rù)或貼合(hé)在(zài)試樣上的絲，條，板或(huò)箱(xiāng)
，或施(shī)加入射光(如激光)的區域。
熱通量  heat flux
q
單位時(shí)間和單位(wèi)麵(miàn)積(jī)由平(píng)麵(miàn)熱源產(chǎn)生的(dí)熱源輸(shū)出(chū)。
注：單(dān)位為(wéi)瓦特(tè)每平方米(W/m²)。
綫性熱(rè)流(liú)  linear heat flow
單位時(shí)間和(hé)單位(wèi)長度(dù)由(yóu)綫源產生的(dí)熱源(yuán)輸(shū)出。
注：單(dān)位(wèi)為(wéi)瓦特每米(W/m)。
穿(chuān)透深度  penetration depth
用於(yú)表(biǎo)征瞬態(tài)測定過(guò)程中(zhōng)熱量穿透(tòu)試(shì)樣(yàng)程度(dù)的特征(zhēng)深度。
注：單(dān)位(wèi)為米(mǐ)(m)。
溫度瞬(shùn)變(biàn)  temperature transient
由於(yú)受到一(yī)段時間的(dí)熱脈衝(chōng)
，最初溫度均(jūn)匀分(fēn)布的體(tǐ)係不能維(wéi)待原有的平衡(héng)狀(zhuàng)態
，從(cóng)而引(yǐn)起體係溫度(dù)的(dí)瞬時(shí)波(bō)動。
容積(jī)熱(rè)容量  volumetric heat capacity
密度與比(bǐ)熱容(róng)的乘(chéng)積。
注：單位(wèi)為(wéi)焦耳(ěr)每立方(fāng)米開(kāi)爾(ěr)文(wén)[J/(m³·K)]。
蓄(xù)熱(rè)係數(shù)  thermal effusivity
b
由導熱係數(shù)與容積熱容扯(chě)乘(chéng)積(jī)的(dí)平方根(gēn)表示的(dí)導熱性能。
注(zhù)：蓄熱(rè)係(xì)數(shù)按公式(1)計算：

式(shì)中(zhōng)：
b ——蓄熱係數
，單(dān)位(wèi)為焦耳(ěr)每平方米開爾(ěr)文秒的平方(fāng)根[J/ (m²·K·s^1/2)]
；
λ ——導熱係(xì)數(shù)
，單位為瓦(wǎ)特每(měi)米開爾文(wén)[W/(m·K)]
；
ρ ——密度
，單位(wèi)為(wéi)千克每立方米(kg/m³)
；
c_p——比熱容(róng)
， 單位(wèi)為焦(jiāo)耳每開爾(ěr)文千(qiān)克[J/(K·kg)]。
熱阻(zǔ)率  thermal resistivity
導(dǎo)熱(rè)係數的倒數(shù)。
注：單(dān)位為(wéi)米開爾文每瓦(wǎ)特[(m·K)/W]。

原理
導熱(rè)係(xì)數用來表(biǎo)征(zhēng)以熱傳(chuán)導方式(shì)進(jìn)行(háng)的(dí)熱縣(xiàn)傳遞(dì)。在(zài)導熱(rè)係數的(dí)測試過程中(zhōng)
， 可能(néng)會發(fā)生(shēng)其他(tā)的(dí)傳熱方(fāng)式(shì)
，如對(duì)流(liú)，輻射，傳質(zhì)
，當以這些其他傳熱(rè)方(fāng)式(shì)為主進(jìn)行熱量傳(chuán)遞時
，則以表(biǎo)觀導熱係(xì)數(shù)或有效導熱(rè)係(xì)數表征(zhēng)。測試條件如(rú)溫(wēn)度，壓(yā)力(lì)，材(cái)料(liào)成分和(hé)試(shì)樣(yàng)取(qǔ)向(xiàng)(各向(xiàng)異性試樣)對(duì)導(dǎo)熱係數的結(jié)果(guǒ)有影響。
在(zài)穩(wěn)態法的(dí)測(cè)試(shì)過程(chéng)中
，適(shì)宜(yí)尺(chǐ)寸(cùn)的(dí)簡(jiǎn)單幾何(hé)形狀(zhuàng)試樣(yàng)與熱源接觸
，同時配有(yǒu)一(yī)個或(huò)多個(gè)溫(wēn)度傳感器(可(kě)與熱(rè)源一體(tǐ)結構或獨立(lì)結構)
，從而使試樣(yàng)在給(gěi)定的溫度(dù)下達(dá)到平衡(héng)。
采用瞬態(tài)法測(cè)試時
，試(shì)樣(yàng)和熱源可以(yǐ)是接(jiē)觸(chù)式的(dí)
，也可以(yǐ)是(shì)非(fēi)接觸式(shì)的。在測試(shì)時(shí)
，熱(rè)脈衝(chōng)會(huì)在試樣內(nèi)產生(shēng)一個動態的(dí)溫度場
，從(cóng)而(ér)引起(qǐ)溫(wēn)度(dù)瞬變。此時(shí)
，溫(wēn)度隨(suí)時(shí)間的(dí)變化(huà)(溫(wēn)度(dù)響(xiǎng)應)會(huì)被一個或多個(gè)傳(chuán)感器檢測(cè)到(dào)
，這些傳感器可(kě)與(yǔ)熱(rè)源一體
，也可設(shè)置(zhì)在(zài)離熱(rè)源(yuán)固(gù)定距(jù)離的(dí)位(wèi)置(zhì)
，如(rú)激光閃(shǎn)光(guāng)法(fǎ)中(zhōng)傳感器(qì)位於試(shì)樣的(dí)另一側。當測試非常薄(báo)的薄膜(厚度(dù)在(zài)納米(mǐ)範(fàn)圍(wéi)內(nèi))時(shí)
，熱反(fǎn)射法(激光閃光(guāng)分(fēn)析(xī)的一種(zhǒng)超快(kuài)衍生法(fǎ))更為適(shì)宜。本文件(jiàn)提供(gōng)了(liǎo)兩(liǎng)種(zhǒng)測試(shì)模式：後加(jiā)熱/前檢測(cè)和前加熱/前檢(jiǎn)測。根(gēn)據(jù)相(xiāng)應的(dí)傳熱模(mó)型(xíng)和一(yī)係列(liè)適用(yòng)於(yú)特(tè)定(dìng)幾(jī)何形狀，邊(biān)界(jiè)條件(jiàn)的(dí)理(lǐ)論公(gōng)式(shì)
， 對溫度(dù)響(xiǎng)應進行(háng)分析(xī)。最(zuì)後
， 根據(jù)試樣和(hé)熱(rè)源的幾何形狀(zhuàng)及產(chǎn)生溫度場的方式
，可分(fēn)別或(huò)同時獲得(dé)一(yī)個或多個(gè)熱物理性(xìng)能。不(bù)同(tóng)類型(xíng)的(dí)瞬態(tài)法的特(tè)點(diǎn)及可測試的(dí)性能(néng)見(jiàn)表1 。
注(zhù)1：大多數(shù)未填(tián)充的(dí)塑料都(dū)屬於中等(děng)導(dǎo)熱材(cái)料(liào)(0.1W/m·K~1W/m·K)。其導(dǎo)熱性(xìng)比泡沫(mò)和絕(jué)熱材料高一(yī)個數(shù)量級以上
，但(dàn)隻有陶瓷和玻璃導(dǎo)熱(rè)係數的五(wǔ)分之一。加入(rù)一(yī)些導熱(rè)填(tián)料可(kě)顯著提(tí)高(gāo)導熱係數(shù)。根據(jù)塑料(liào)的形(xíng)狀(zhuàng)和狀態(tài)
，選擇不(bù)同的導熱(rè)係數(shù)的(dí)測試方法
，見第(dì)5章(zhāng)及本(běn)文件的(dí)其(qí)他部(bù)分和(hé)其他參考標準中(zhōng)。
注(zhù)2：使用參考物質來驗證的測試(shì)方法(fǎ)，校準(zhǔn)次(cì)選的測試方式是(shì)必(bì)要的(dí)。各國的(dí)國(guó)家(jiā)基(jī)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室
，如NPL，NIST，LNE，NMU和PTB對許多固體(tǐ)材料(liào)進行(háng)了(liǎo)表征
，目(mù)前(qián)隻有(yǒu)聚甲基丙(bǐng)烯酸甲(jiǎ)酯，玻(bō)璃(lí)纖維板IRMM-440和(hé)玻(bō)璃陶瓷(cí)BCR-724具(jù)有(yǒu)與大多(duō)數(shù)聚合物(wù)及聚合物(wù)填充材料相當的導(dǎo)熱係(xì)數。玻璃纖維板(bǎn)IRMM-440和玻(bō)璃陶瓷BCR-724是歐盟(méng)委員會聯(lián)合(hé)研(yán)究中(zhōng)心(JRC)提供的產品。提(tí)供(gōng)此信息(xī)是(shì)為(wéi)了(liǎo)方(fāng)便本(běn)文件(jiàn)的用(yòng)戶
，並(bìng)不(bù)構成(chéng)對(duì)該命(mìng)名產(chǎn)品的認(rèn)可。聚(jù)二甲基(jī)矽(guī)氧烷(wán)和甘油(yóu)是良(liáng)好的液(yè)體參(cān)考物(wù)質(zhì)
，其(qí)導熱係(xì)數也與(yǔ)塑(sù)料相(xiāng)當(dāng)。
注3：導熱(rè)係(xì)數λ可(kě)通過(guò)將熱擴(kuò)散係數α乘以恒(héng)壓(yā)條件下(xià)的比熱(rè)容(róng)c_p和密(mì)度ρ得到(dào)
，即λ＝α • c_p• ρ。


試驗方法(fǎ)
概述(shù)
目前(qián)已(yǐ)開發出多(duō)種測試(shì)方法(fǎ)測定(dìng)導(dǎo)熱(rè)係(xì)數和(hé)熱擴散(sàn)係數。表2列出(chū)了(liǎo)部分接觸(chù)式(shì)方法(fǎ)。5.2.3~5.2.5中所(suǒ)述試驗方(fāng)法的完整信息可見(jiàn)ISO 22007-2，GB/T 42919.3 和 GB/T 42919.4 。
在接觸(chù)式方法中
，測(cè)定結(jié)果(guǒ)的(dí)準(zhǔn)確(què)性(xìng)很(hěn)大程(chéng)度(dù)上取決(jué)於傳(chuán)感器(qì)與(yǔ)試樣(yàng)之間良(liáng)好(hǎo)的接(jiē)觸。因(yīn)此(cǐ)施(shī)加(jiā)足夠的單軸(zhóu)壓(yā)力(lì)
，可(kě)將試(shì)樣的(dí)各(gè)個部分(fēn)和熱(rè)源緊密貼合(hé)。
注(zhù)：導熱膠用來改善試樣與熱(rè)源(yuán)的(dí)界麵
，但使(shǐ)用導熱(rè)膠可能(néng)導致測(cè)量(liáng)不(bù)準(zhǔn)確(què)
，充分(fēn)量化(huà)其(qí)結(jié)果(guǒ)才(cái)能(néng)得到準確的結(jié)果(guǒ)。過多的導熱膠或(huò)塗抹(mǒ)在(zài)錯誤的(dí)部(bù)位(wèi)(如加(jiā)熱器(qì)區(qū)域外)可(kě)能(néng)導(dǎo)致(zhì)錯誤的結(jié)果(guǒ)。




瞬態法(fǎ)
熱綫(xiàn)法(fǎ)
熱綫法(fǎ)可(kě)用於測定(dìng)聚(jù)合(hé)物(wù)的(dí)導(dǎo)熱(rè)係數隨(suí)溫(wēn)度(dù)的(dí)變(biàn)化
，僅適用(yòng)於各向(xiàng)同(tóng)性的材料(liào)
，可(kě)以(yǐ)是(shì)板，泡沫，顆粒或粉末(mò)等(děng)多種形式(shì)。熱綫法(fǎ)主(zhǔ)要(yào)用於(yú)測(cè)試固態聚(jù)合物
，測(cè)試(shì)聚合(hé)物(wù)熔體(tǐ)時(shí)
，溫(wēn)度測(cè)試(shì)元件(jiàn)可能被損壞(huài)。
在(zài)一個試(shì)樣內(nèi)或(huò)在兩個相同(tóng)試樣間放置一(yī)個金屬絲加熱(rè)器
，通過(guò)鉑(bó)電(diàn)阻(zǔ)溫度(dù)檢測(cè)器(qì)或放(fàng)置(zhì)在(zài)導綫附(fù)近的(dí)熱電(diàn)偶進行(háng)溫度(dù)測(cè)量。接(jiē)通(tōng)加熱器(qì)後
，測(cè)定溫度(dù)隨(suí)時(shí)間的變化(huà)關(guān)係(xì)。
采(cǎi)用傅(fù)立(lì)葉微(wēi)分方程可描述無(wú)限長綫材(cái)的(dí)瞬態熱流
，如公式(2)所示：

式(shì)中：
t ——時間
，單位(wèi)為(wéi)秒(miǎo)(s)
；    Φ ——金屬絲(sī)產(chǎn)生(shēng)的(dí)熱流(liú)攏
，單位(wèi)為(wéi)瓦(wǎ)特(W)
；
r ——加熱(rè)器與熱電偶之(zhī)間(jiān)的(dí)距離(lí)
，單位為米(mǐ)(m)
；
L ——金屬絲長度(dù)
，單位為(wéi)米(mǐ)(m)
；
λ ——導(dǎo)熱(rè)係(xì)數
，單位(wèi)為瓦(wǎ)特每(měi)米開爾文(wén)[W/(m·K)]
；
α ——熱(rè)擴(kuò)散係數
，α＝λ/ρCp
，單位為平(píng)方米每秒[m²/s]
；
Ei(x) ——指(zhǐ)數積分
，由公式(3)得出：

當(dāng)r²/4αt的值(zhí)小於1時(shí)
，公(gōng)式(2)可(kě)簡(jiǎn)化為公(gōng)式(4)式中：

式中：
C=e^r
；
r ——歐拉常數
，取0.577216。
由公(gōng)式(4)可知
，溫(wēn)度變化(huà)ΔT(r
，t)是(shì)時間自(zì)然對數(shù)的(dí)綫性(xìng)函(hán)數
，試樣導(dǎo)熱係(xì)數可由公式(shì)(5)得(dé)出(chū)：

式中：
K ——溫度變化隨時間自(zì)然(rán)對數(shù)曲綫(xiàn)的綫性(xìng)部(bù)分的斜率(shuài)。
使用如(rú)表(biǎo)2所示(shì)的試(shì)樣尺寸(cùn)和(hé)熱源尺寸
，在實際(jì)應(yīng)用情形(xíng)下通(tōng)常使用公式(5)。
注(zhù)： 熱(rè)綫法(fǎ)見(jiàn) ISO 8894-1，ISO 8894-2 和 ASTM C1113。