塑料 导热系数和热扩散系数的测定 第1部分：通则 - 热线法

GB/T 42919.1-2023 塑料 导热系数和热扩散系数的测定 第1部分：通则

范围
本文件确立了聚合物材料导热系数和热扩散系数测定方法的一般原则。
本文件适用于聚合物材料导热系数和热扩散系数的测定。

术语和定义
GB/T 2035 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
热脉冲  heat pulse
热源的热量变化产生的脉冲。
热脉冲的能量  heat pulse energy
由热源产生的热脉冲的热量。
注：单位为焦耳(J)。
热源  heat source
嵌入或贴合在试样上的丝、条、板或箱，或施加入射光(如激光)的区域。
热通量  heat flux
q
单位时间和单位面积由平面热源产生的热源输出。
注：单位为瓦特每平方米(W/m²)。
线性热流  linear heat flow
单位时间和单位长度由线源产生的热源输出。
注：单位为瓦特每米(W/m)。
穿透深度  penetration depth
用于表征瞬态测定过程中热量穿透试样程度的特征深度。
注：单位为米(m)。
温度瞬变  temperature transient
由于受到一段时间的热脉冲，最初温度均匀分布的体系不能维待原有的平衡状态，从而引起体系温度的瞬时波动。
容积热容量  volumetric heat capacity
密度与比热容的乘积。
注：单位为焦耳每立方米开尔文[J/(m³·K)]。
蓄热系数  thermal effusivity
b
由导热系数与容积热容扯乘积的平方根表示的导热性能。
注：蓄热系数按公式(1)计算：

式中：
b ——蓄热系数，单位为焦耳每平方米开尔文秒的平方根[J/ (m²·K·s^1/2)]；
λ ——导热系数，单位为瓦特每米开尔文[W/(m·K)]；
ρ ——密度，单位为千克每立方米(kg/m³)；
c_p——比热容， 单位为焦耳每开尔文千克[J/(K·kg)]。
热阻率  thermal resistivity
导热系数的倒数。
注：单位为米开尔文每瓦特[(m·K)/W]。

原理
导热系数用来表征以热传导方式进行的热县传递。在导热系数的测试过程中， 可能会发生其他的传热方式，如对流、辐射、传质，当以这些其他传热方式为主进行热量传递时，则以表观导热系数或有效导热系数表征。测试条件如温度、压力、材料成分和试样取向(各向异性试样)对导热系数的结果有影响。
在稳态法的测试过程中，适宜尺寸的简单几何形状试样与热源接触，同时配有一个或多个温度传感器(可与热源一体结构或独立结构)，从而使试样在给定的温度下达到平衡。
采用瞬态法测试时，试样和热源可以是接触式的，也可以是非接触式的。在测试时，热脉冲会在试样内产生一个动态的温度场，从而引起温度瞬变。此时，温度随时间的变化(温度响应)会被一个或多个传感器检测到，这些传感器可与热源一体，也可设置在离热源固定距离的位置，如激光闪光法中传感器位于试样的另一侧。当测试非常薄的薄膜(厚度在纳米范围内)时，热反射法(激光闪光分析的一种超快衍生法)更为适宜。本文件提供了两种测试模式：后加热/前检测和前加热/前检测。根据相应的传热模型和一系列适用于特定几何形状、边界条件的理论公式， 对温度响应进行分析。最后， 根据试样和热源的几何形状及产生温度场的方式，可分别或同时获得一个或多个热物理性能。不同类型的瞬态法的特点及可测试的性能见表1 。
注1：大多数未填充的塑料都属于中等导热材料(0.1W/m·K~1W/m·K)。其导热性比泡沫和绝热材料高一个数量级以上，但只有陶瓷和玻璃导热系数的五分之一。加入一些导热填料可显著提高导热系数。根据塑料的形状和状态，选择不同的导热系数的测试方法，见第5章及本文件的其他部分和其他参考标准中。
注2：使用参考物质来验证的测试方法、校准次选的测试方式是必要的。各国的国家基准实验室，如NPL、NIST、LNE、NMU和PTB对许多固体材料进行了表征，目前只有聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃纤维板IRMM-440和玻璃陶瓷BCR-724具有与大多数聚合物及聚合物填充材料相当的导热系数。玻璃纤维板IRMM-440和玻璃陶瓷BCR-724是欧盟委员会联合研究中心(JRC)提供的产品。提供此信息是为了方便本文件的用户，并不构成对该命名产品的认可。聚二甲基硅氧烷和甘油是良好的液体参考物质，其导热系数也与塑料相当。
注3：导热系数λ可通过将热扩散系数α乘以恒压条件下的比热容c_p和密度ρ得到，即λ＝α • c_p• ρ。


试验方法
概述
目前已开发出多种测试方法测定导热系数和热扩散系数。表2列出了部分接触式方法。5.2.3~5.2.5中所述试验方法的完整信息可见ISO 22007-2、GB/T 42919.3 和 GB/T 42919.4 。
在接触式方法中，测定结果的准确性很大程度上取决于传感器与试样之间良好的接触。因此施加足够的单轴压力，可将试样的各个部分和热源紧密贴合。
注：导热胶用来改善试样与热源的界面，但使用导热胶可能导致测量不准确，充分量化其结果才能得到准确的结果。过多的导热胶或涂抹在错误的部位(如加热器区域外)可能导致错误的结果。




瞬态法
热线法
热线法可用于测定聚合物的导热系数随温度的变化，仅适用于各向同性的材料，可以是板、泡沫、颗粒或粉末等多种形式。热线法主要用于测试固态聚合物，测试聚合物熔体时，温度测试元件可能被损坏。
在一个试样内或在两个相同试样间放置一个金属丝加热器，通过铂电阻温度检测器或放置在导线附近的热电偶进行温度测量。接通加热器后，测定温度随时间的变化关系。
采用傅立叶微分方程可描述无限长线材的瞬态热流，如公式(2)所示：

式中：
t ——时间，单位为秒(s)；    Φ ——金属丝产生的热流拢，单位为瓦特(W)；
r ——加热器与热电偶之间的距离，单位为米(m)；
L ——金属丝长度，单位为米(m)；
λ ——导热系数，单位为瓦特每米开尔文[W/(m·K)]；
α ——热扩散系数，α＝λ/ρCp，单位为平方米每秒[m²/s]；
Ei(x) ——指数积分，由公式(3)得出：

当r²/4αt的值小于1时，公式(2)可简化为公式(4)式中：

式中：
C=e^r；
r ——欧拉常数，取0.577216。
由公式(4)可知，温度变化ΔT(r，t)是时间自然对数的线性函数，试样导热系数可由公式(5)得出：

式中：
K ——温度变化随时间自然对数曲线的线性部分的斜率。
使用如表2所示的试样尺寸和热源尺寸，在实际应用情形下通常使用公式(5)。
注： 热线法见 ISO 8894-1、ISO 8894-2 和 ASTM C1113。