GBT 42919.3-2023 塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測定 第3部分：溫度波分析法（正式版）

塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測定第3部分：溫度波分析法2023-08-06發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局1本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定本文件是GB/T42919《塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測定》的第3部分。GB/T42919已經(jīng)發(fā)——第1部分：通則；——第3部分：溫度波分析法；——第4部分：激光閃光法；——第6部分：基于溫度調(diào)制技術(shù)的比較法。本文件與ISO22007-3:2008相比做了下述結(jié)構(gòu)調(diào)整：——第5章對應(yīng)ISO22007-3:2008中的5.1～5.3;——6.8對應(yīng)ISO22007-3:2008中的7.3;——8.3～8.9對應(yīng)ISO22007-3:2008中的8.4～8.10;——附錄B對應(yīng)ISO22007-3:2008中附錄D,附錄D對應(yīng)ISO22007-3:2008中附錄B。本文件與ISO22007-3:2008的技術(shù)差異及其原因如下： 用規(guī)范性引用的GB/T2035替換了ISO472(見第3章),以適應(yīng)我國的技術(shù)條件，增加可操 用規(guī)范性引用的GB/T42919.1替換了ISO22007-1(見第3章),以適應(yīng)我國的技術(shù)條件，增加可操作性；——增加了溫度測量裝置精度至少為±0.3K的要求(見6.7);——刪除了液體試樣(見ISO22007-3:2008的7.1和8.3),因無法驗(yàn)證本文件是否適用于液體試樣；——增加了進(jìn)行一次平行試驗(yàn)的要求(見8.10);—增加了測試結(jié)果為兩次重復(fù)測試結(jié)果的平均值的要求(見9.6),以明確測試結(jié)果的計(jì)算方式；——用規(guī)范性引用的GB/T27418替換了ISO/IECGuide98-3(見11.1),以適應(yīng)我國的技術(shù)條——更改了重復(fù)性數(shù)據(jù)，由1%修改為5%(見11.2),依據(jù)我國實(shí)驗(yàn)室測得的試驗(yàn)結(jié)果，以適應(yīng)我國的技術(shù)條件。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC15)歸口。本文件起草單位：江蘇毅昌科技有限公司、中藍(lán)晨光化工有限公司、上汽通用五菱汽車股份有限公司、中廣核俊爾(浙江)新材料有限公司、廈門歐圣斯科技有限公司、威海聯(lián)橋新材料科技股份有限公司、珠峰動力機(jī)械(寧德)有限公司、青島海容商用冷鏈股份有限公司、東莞市事事行新材料有限公司、中華人民共和國青島大港海關(guān)、吉林省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院。lⅡ塑料的熱傳導(dǎo)性能在塑料工業(yè)和其他領(lǐng)域都是不可或缺的。塑料用于各種新應(yīng)用領(lǐng)域時，如納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)，需可快速執(zhí)行及精確的簡單小規(guī)模測試。溫度波分析是一種測試薄試樣熱擴(kuò)散系數(shù)GB/T42919《塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測定》擬由六個部分構(gòu)成?！?部分：通則。目的在于建立導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測定試驗(yàn)方法中通用的定義和各方 第2部分：瞬態(tài)平面熱源(熱盤)法。目的在于為測定塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的瞬態(tài)平面——第3部分：溫度波分析法。目的在于為測定塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的溫度波分析法，確立 第4部分：激光閃光法。目的在于為測定塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的激光閃光法，確立可操 第5部分：聚甲基丙烯酸甲酯樣品實(shí)驗(yàn)室間測試結(jié)果。目的在于通過多個實(shí)驗(yàn)室對聚甲基丙烯酸甲酯的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測定并提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)?！?部分：基于溫度調(diào)制技術(shù)的比較法。目的在于為使用溫度調(diào)制技術(shù)測定低導(dǎo)熱系數(shù)的比1塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測定第3部分：溫度波分析法本文件描述了用溫度波分析法測定塑料薄膜和薄片在厚度方向上熱擴(kuò)散系數(shù)的方法。本文件適用于各向同性或異性結(jié)構(gòu)的塑料，其熱擴(kuò)散系數(shù)α的范圍為1.0×10~°m2·s-1～1.0×本文件規(guī)定的測試能在空氣或其他氣體中進(jìn)行，如惰性氣體；能在大氣壓力或其他低、高壓力或真2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于GB/T2035塑料術(shù)語及其定義(GB/T2035—2008,ISO472:1999,IDT)GB/T27418測量不確定度評定和表示(GB/T27418—2017,ISO/IECGuide98-3:2008,MOD)GB/T42919.1塑料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測定第1部分：通則(GB/T42919.1—2023,ISO22007-1:2017,MOD)ISO80000-5量和單位第5部分：熱力學(xué)(Quantitiesandunits—Part5:Thermodynamics)3術(shù)語和定義GB/T2035、GB/T42919.1和ISO80000-5界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。調(diào)制功率熱源產(chǎn)生的溫度振蕩。試樣前后表面溫度波的相位差。4符號下列符號適用于本文件。A:相移△θ與溫度波角頻率w平方根關(guān)系曲線圖的斜率，單位為二分之一次方秒(s1/2)。C:單位體積熱容量，單位為焦耳每立方米開爾文[J/(m3·K)]。2k:為(w/2a)1/?的值。w:溫度波角頻率，單位為弧度每秒(rad/s)。we:滿足kd=1的角頻率，單位為弧度每秒(rad/s)。5原理溫度波分析是一種測量厚度方向熱擴(kuò)散系數(shù)的方法，通過測量溫度波在樣品前后表面之間的相移個電阻作為溫度傳感器檢測溫度波。本方法涉及通過試樣的溫度波的相移與溫度波角頻率平方根函數(shù)的分析。6儀器設(shè)備儀器設(shè)備應(yīng)符合第5章所述，用于測定熱擴(kuò)散系數(shù)，并應(yīng)包括圖1中的主要部件，圖1為儀器設(shè)備標(biāo)引序號說明：1——試樣；2——加熱器；3——溫度傳感器；4——背板；5——試樣架；6——恒溫外殼；7——溫度計(jì)；8——溫度控制器；9——功能合成器；10——電腦；11——鎖定放大器；12——數(shù)字萬用表；圖1儀器設(shè)備示意圖恒溫密閉容器的溫度范圍應(yīng)適合待測材料。恒溫密閉容器應(yīng)能控制溫度，使試樣溫度在整個測試過程中變化不超過±1K。36.3加熱器和溫度傳感器加熱器位于x=0處(見圖1),通過連接在試樣前表面的電阻傳遞交流電來產(chǎn)生溫度波。溫度傳感器位于x=d處(見圖1),通過測量附在試樣后表面的電阻的振蕩來檢測溫度波。為了獲得高靈敏度和快速響應(yīng)，加熱器和溫度傳感器宜直接濺射至試樣的相對表面上，加熱器和溫度傳感器的熱容量宜忽略不計(jì)。注1:直接濺射至薄膜試樣前后表面的加熱器和溫度傳感器示例如圖2a)所示。注2:在試樣上濺射的加熱器和溫度傳感器的典型尺寸為寬1mm、長5mm。使用導(dǎo)電膏或焊料將金屬引線層濺射或連接到加熱器和溫度傳感器上，或能將引線濺射至背板上，見圖2b)。采用導(dǎo)電膏或焊料能提供從引線層到電纜的電觸點(diǎn)，該電觸點(diǎn)用于電源和測量設(shè)備的為了保持良好的熱接觸，宜將加熱器和溫度傳感器直接濺射至試樣的前后表面，或加熱器和溫度傳感器也能在一定載荷下固定在試樣表面。a)直接在薄膜樣品的前、后表面濺射的加熱器、溫度傳感器和引線溫度傳感器：W=1mm,L=5mm)b)加熱器和溫度傳感器直接濺射至試樣上，引線位于背板上mm;mm)mm;mm)溫度傳感器：W=1mm,L=5mm;背板：W=30標(biāo)引序號說明：1——試樣；2——濺射加熱器(前);3——濺射溫度傳感器(后);4——引線；5——背板。圖2加熱器和溫度傳感器示意圖46.4加熱電路加熱器功率應(yīng)可調(diào)節(jié)，以避免樣品溫升超過1K。6.5測量電路通過引線層向溫度傳感器提供偏置電流，用于測量溫度傳感器電阻的振蕩。使用直流電源向溫度傳感器提供1μA～10mA的電流。振蕩頻率的測量精度宜優(yōu)于0.05%。應(yīng)能測量溫度傳感器電阻的振蕩(即傳感器引線兩端之間電壓的振蕩),以確定溫度波在試樣厚度上的相移。加熱器和溫度傳感器之間的相移應(yīng)能通過如圖1所示的設(shè)置進(jìn)行測量。相移測量的精度宜6.7試樣溫度測量裝置熱電偶可固定在背板上，如可能，也可連接到試樣上。當(dāng)已知溫度傳感器電阻的溫度系數(shù)時，能通過測量其電阻來獲得溫度傳感器溫度，溫度測量裝置精度至少為±0.3K。所用背板的厚度宜超過試樣的厚度。為了在相移與溫度波角頻率平方根的關(guān)系圖中獲得較寬的線性范圍(見圖3、附錄A和附錄B),背板材料與試樣宜具有類似的熱性能(即λk值相似)。7試樣試樣應(yīng)為薄膜，通常厚為10μm～500μm,長、寬為10mm。對于投影面積大于加熱器和溫度傳感器面積的試樣(見圖2),原則上能根據(jù)測量熱擴(kuò)散系數(shù)和滿足kd>1或w>w.條件下所用的溫度波頻率[13](見附錄A)來確定可靠測量的允許厚度范圍。注：接受的測試所需的頻率-厚度關(guān)系的實(shí)例見附錄C。應(yīng)使用合適的校準(zhǔn)過的儀器測量試樣厚度，如機(jī)械千分尺或光學(xué)、電子、電容或電感式測量儀。應(yīng)在將試樣放入試樣架之前進(jìn)行測量，試樣厚度的變化宜小于平均厚度的1%或1μm,以較小者為準(zhǔn)。8試驗(yàn)步驟8.2若試樣是薄膜，則在試樣的每個表面上濺射一層薄金屬層，以形成加熱器和溫度傳感器。濺射金屬引線并將試樣插入背板之間。8.3若加熱器和傳感器不能濺射至試樣上，則能使用組裝裝置搭配機(jī)械載荷，以確保引線與加熱器和溫度傳感器之間的良好電接觸，以及加熱器和溫度傳感器與試樣之間的良好熱接觸。8.4將裝有試樣的組裝裝置放在恒溫密閉容器中。將加熱器連接到電源，溫度傳感器連接到相位檢5GB/T42919.3—2023測器。8.5以不超過10K/min的速率將溫度升高或降低至試驗(yàn)溫度。8.6檢查試樣溫度。如果在整個測試過程中溫度傳感器的電阻不是恒定的，這可能是向加熱器提供的功率過大，或者恒溫密閉容器內(nèi)未達(dá)到熱平衡的原因。在這種情況下，以較小的功率和/或等待更長的時間使恒溫密閉容器達(dá)到熱平衡后再重新測試。8.7閉合測量電路，在加熱器中產(chǎn)生交流電流，并向溫度傳感器施加直流偏置電流。根據(jù)加熱器的電阻和波頻率調(diào)整加熱器的電源，以將試樣溫升限制在1K以內(nèi)。8.8使用相位檢測器，如鎖相放大器，并使用功能合成器輸出參考信號，以固定的溫度波角頻率測量試樣前后表面之間的溫度波相位差。8.9重復(fù)8.7～8.8的步驟，進(jìn)一步測量其他頻率下的相移。選擇至少5個使△0<—3π/4滿足經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的頻率(見圖3)。圖3相移Aθ與角頻率平方根o1/?關(guān)系圖的示例8.10再次進(jìn)行一次平行試驗(yàn)。8.11如果試驗(yàn)在一個或多個更高或更低的溫度下進(jìn)行，在不高于10K/min的升溫或降溫速率下將恒溫密閉容器的溫度升高或降低到下一個測試溫度。在溫度穩(wěn)定后，再次執(zhí)行8.6～8.10的步驟，以獲得相移值。9結(jié)果計(jì)算與表示9.1對于給定的樣品厚度和溫度，熱擴(kuò)散率是根據(jù)相移△θ與溫度波角頻率w的平方根的關(guān)系曲線斜率A計(jì)算得到的[1]。9.2繪制相移與角頻率平方根的函數(shù)圖時，宜繪制直線圖(見附錄A和圖3)。如果情況并非如此，則使用的角頻率可能不滿足本試驗(yàn)所需的條件。在這種情況下，在不同的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行重復(fù)測試。9.3計(jì)算試驗(yàn)溫度下的試樣厚度，考慮熱膨脹引起的厚度變化。9.4材料的熱擴(kuò)散系數(shù)a由公式(1)計(jì)算得出(見附錄A)?！?1)6式中：a——熱擴(kuò)散系數(shù)，單位為平方米/秒(m2/s);A相移△θ與溫度波的角頻率w的平方根曲線的斜率，單位為二分之一次方秒(s1/2);d——試樣厚度，單位為米(m)。9.5檢查9.4中計(jì)算是否滿足w>w.的條件。如果不滿足要求，則使用更高的角頻率重復(fù)測試。9.6測試結(jié)果取兩次試驗(yàn)的平均值，保留3位有效數(shù)字。10儀器校準(zhǔn)和方法驗(yàn)證10.1.1溫度波分析是一種絕對方法。溫度波分析儀的所有參數(shù)可直接溯源到國際單位，應(yīng)單獨(dú)校10.1.3校準(zhǔn)用于測量試樣組件穩(wěn)態(tài)溫度的裝置(見6.7),精度至少為±0.3K。10.1.4電源和相移測量裝置的頻率可根據(jù)儀器制造商的設(shè)備指南進(jìn)行校準(zhǔn)，檢查電路本身的零相移。能通過測試參考樣品來驗(yàn)證方法和儀器，宜包括待測試材料的熱擴(kuò)散系數(shù)范圍和溫度范圍。驗(yàn)證結(jié)果的偏差應(yīng)小于參考值的5%,若超過此限值，宜重新檢查測試條件和/或重新校準(zhǔn)儀器的各種參注：參考文獻(xiàn)[4]和附錄D中給出了聚酰亞胺薄膜的典型值。Pyrex7740和聚甲基丙烯酸甲酯的典型值在參考文獻(xiàn)[5]中給出。直接濺射制備的帶加熱器和溫度傳感器的試樣在室溫下進(jìn)行常規(guī)測量，當(dāng)根據(jù)GB/T27418進(jìn)行評定時，用溫度波法測定熱擴(kuò)散系數(shù)的擴(kuò)展不確定度(置信水平為95%)估計(jì)在1.0×10~'m2·s-1<a<1.0×10-?m2·s-'范圍內(nèi)優(yōu)于5%。如使用與試樣接觸的非濺射溫度傳感器，則擴(kuò)展不確定度估計(jì)在5%～10%內(nèi)(見附錄E)。使用相同試驗(yàn)條件對相同試樣連續(xù)測量的重復(fù)性優(yōu)于5%。12試驗(yàn)報告試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)包括以下信息：a)本文件編號；b)待測材料的完整標(biāo)識(類型、來源、制造廠代號和所知的歷史);c)試樣的形狀、厚度和其他尺寸以及數(shù)量；d)所用儀器的規(guī)格；e)使用的溫度傳感器和加熱器的類型及其形狀、尺寸和電阻；f)測試條件，如溫度、提供給加熱器的調(diào)制功7h)每種溫度的相移與角頻率平方根的關(guān)系圖(見圖3);i)在不同試驗(yàn)溫度下，曲線斜率A和熱擴(kuò)散系數(shù)α的值；k)任何其他相關(guān)項(xiàng)目。8(資料性)溫度波分析的數(shù)學(xué)背景對厚度為d的試樣建立了一維熱傳導(dǎo)模型，該試樣位于半無限厚的背板之間。當(dāng)在試樣的前表面(x=0)產(chǎn)生正弦溫度波時，它沿整個厚度方向傳播，并在后表面(x=d)處被檢測。如果溫度波的振幅在背板的無限位置處衰減到零，則通過求解一維擴(kuò)散方程[1-]來描述x=d時的溫度振蕩T(x,t),…………(A.1)T(d,t)—-x=d時的溫度振蕩；j?—x=0時產(chǎn)生的周期性熱通量，其中j=joexp(iwt),單位為瓦特每平方米(W/m2); K——(w/2a)1/2,其中α為熱擴(kuò)散系數(shù)；…………(A.2)加熱器和溫度傳感器之間的相移描述如公式(A.3):…………(A.3)相移△0是角頻率w平方根的線性函數(shù)，因此試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)能由公式(A.4)確定9GB/T42919.3—2023(資料性)相移A0與kd和ξ函數(shù)的數(shù)值模擬相移△θ與kd和ξ函數(shù)的數(shù)值模擬見圖B.1。(資料性)測試所需的頻率-厚度關(guān)系示例測試所需的頻率-厚度關(guān)系示例見圖C.1和圖C.2。1——a=1.0×10~*m2·s-1;2——a=1.0×10~'m2·s-';3——a=1.0×10~*m2·s-'。圖C.1測試所需的頻率-厚度關(guān)系(對數(shù)-對數(shù)圖)1——a=1.0×10-*m2·s-1;2——a=1.0×10~'m2·s-';3——a=1.0×10~*m2·s-'。圖C.2測試所需的頻率-厚度關(guān)系(對數(shù)-線性圖)(資料性)聚酰亞胺的典型熱擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)聚酰亞胺的典型熱擴(kuò)散系數(shù)見表D.1。表D.1聚酰亞胺的典型熱擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)T℃aT℃a0注：樣品為Kapton100,厚度25μm,是可買到的市售產(chǎn)品，給出這一信息是為了方便本文件的使用者，并不表示(資料性)熱擴(kuò)散系數(shù)測試的不確定度實(shí)例室溫下有機(jī)玻璃(PMMA)、聚醚砜樹脂(PES)和氧化鋯的熱擴(kuò)散系數(shù)測試的不確定度見表E.1。表E.1室溫下三種材料的熱擴(kuò)散系數(shù)測試的不確定度材料dQ擴(kuò)展不確定度%有機(jī)玻璃(PMMA)1.15×10-'聚醚砜樹脂(PES)1.24×10-'2氧化鋯1.08×10-6[1]MORIKAWA,J.,TAN,J.andHASHIMOTO,T.:Studyofchangeinthermaldiffusivitypolymersduringglasstransition,Polymer,36(23):4439-4443(1995).waveforFouriertransformthermalanalysis,Jpn.J.Appl.Phys.,