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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,。

術語和定義
GB/T 2035 界定的以及下列術語和定義適用于本文件。
熱脈沖  heat pulse
熱源的熱量變化產生的脈沖,。
熱脈沖的能量  heat pulse energy
由熱源產生的熱脈沖的熱量,。
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,，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,，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,，熱脈沖會在試樣內產生一個動態(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)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,，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,， 對溫度響應進行分析。最后,， 根據(jù)試樣和熱源的幾何形狀及產生溫度場的方式,，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)提供的產品。提供此信息是為了方便本文件的用戶,，并不構成對該命名產品的認可,。聚二甲基硅氧烷和甘油是良好的液體參考物質，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,，充分量化其結果才能得到準確的結果,。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?；蚍勰┑榷喾N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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