DB51T 2434-2017 材料熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的瞬態(tài)測(cè)量-脈沖法

2017-12-20發(fā)布2018-01-01實(shí)施四川省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布I II III 1 13術(shù)語(yǔ)和定義 14基本原理 2 36測(cè)量系統(tǒng) 47測(cè)量 5 8 8附錄A(規(guī)范性附錄)關(guān)于B(y)函數(shù)的求解 附錄B(規(guī)范性附錄)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理 本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2009規(guī)定的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由四川省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)提出并歸口。本標(biāo)準(zhǔn)由四川省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)發(fā)布。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：西南科技大學(xué)。本標(biāo)準(zhǔn)參加起草單位：西南應(yīng)用磁學(xué)研究所，深圳欣旺達(dá)股份有限公司本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：陳昭棟、陳丕、霍冀川、黃鶴燕、郭寶剛、易勇、王哲、陳立、陳芬、羅浩。材料熱物性的測(cè)量有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法之分?；谄胶鈶B(tài)熱力學(xué)理論的測(cè)量方法，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)法。目前，國(guó)內(nèi)外一般都采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量材料的熱導(dǎo)率?；趥鳠釋W(xué)理論的測(cè)量方法，稱(chēng)為瞬態(tài)法。它是在溫度變化的過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量的，能同時(shí)測(cè)量材料的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)。在已知材料的密度時(shí)，可以計(jì)算材料的定壓比熱容，在已知熱作用周期時(shí)，也能計(jì)算材料的蓄熱系數(shù)。1材料熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的瞬態(tài)測(cè)量-脈沖法本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了采用平面熱源，以恒定熱流強(qiáng)度脈沖加熱，瞬態(tài)測(cè)量固體材料熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的基本原理、計(jì)算公式、試件制備、測(cè)量裝置、測(cè)量系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理、測(cè)量操作要點(diǎn)以及測(cè)量結(jié)果的表達(dá)等方面的內(nèi)容。本標(biāo)準(zhǔn)適合用于含濕狀態(tài)或絕干狀態(tài)下，在室溫附近，測(cè)量保溫絕熱材料、導(dǎo)熱材料等固體板材的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)試范圍分別為0.01Wm1·K1<A<5002規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T32064-2015建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測(cè)試法GB/T10294-2008絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定-防護(hù)熱板法GB/T4132-1996絕熱材料及相關(guān)術(shù)語(yǔ)GJB1485-92材料物理性能測(cè)量方法的精密度、準(zhǔn)確度和不確定度3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。包含材料的熱導(dǎo)率λ(即導(dǎo)熱系數(shù)),熱擴(kuò)散系數(shù)a(即導(dǎo)溫系數(shù)),定壓比熱容cp和蓄熱系數(shù)S等，為材料熱物理性質(zhì)的統(tǒng)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)材料的熱物性。根據(jù)傳熱學(xué)理論，在加熱升溫，或停止加熱后的降溫過(guò)程中，快速完成熱測(cè)量，且測(cè)量系統(tǒng)無(wú)需實(shí)現(xiàn)或保持熱平衡狀態(tài)的一種測(cè)量方法。脈沖法pulsemethod2材料熱物性的一種瞬態(tài)測(cè)量方法。指平面熱源用恒定熱流強(qiáng)度，在均勻無(wú)限大介質(zhì)中，從0-t的在保持壓力不變的條件下，單位質(zhì)量的物體，溫度升高1K,所需要供給的能量。表示材料吸收(或波幅與表面溫度波幅之比為蓄熱系數(shù)S,表示材料的蓄熱能力。反映周期熱作用下，材料4基本原理本測(cè)量方法以一維半無(wú)限大傳熱模型的精確解，以及平面熱源用恒定熱流強(qiáng)度脈沖加熱測(cè)量裝置后，獲得的熱源表面降溫過(guò)程的規(guī)律，導(dǎo)出B(y)函數(shù)的測(cè)量表達(dá)式。然后用溫升(或降)隨時(shí)間變化3的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算B(y)函數(shù)的測(cè)量值，再用此值代入B(y)函數(shù)的定義式，反解出y函數(shù)的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料熱物理性質(zhì)的測(cè)量。5測(cè)量裝置5.1脈沖法瞬態(tài)測(cè)量裝置的布置如圖1所示。XX溫差電偶2主試件溫差電偶1Z0平面熱源圖1脈沖法測(cè)量裝置的布置示意圖三塊試件重疊放置。放置方式如圖1所示：輔件1置底，主試件、輔件1之間有平面熱源。主試件與平面熱源上表面之間安置溫差電偶1。溫差電偶1的測(cè)溫點(diǎn)，位于主試件下表面中央，測(cè)量熱面(,y,z)的溫度變化；主試件、輔件2之間，安置溫差電偶2。溫差電偶2的測(cè)溫點(diǎn)，位于主試件上表面中央，測(cè)量冷面(x,y,z)的溫度變化。5.2平面熱源5.2.1平面熱源置于(0、y、z)平面，為測(cè)量裝置的加熱元件。5.2.2主試件的面積應(yīng)等于或大于平面熱源的面積，主試件應(yīng)該全覆蓋平面熱源的有效發(fā)熱面。5.2.3平面熱源的模型為理想平面，沒(méi)有厚度和質(zhì)量。實(shí)際的平面熱源(也稱(chēng)加熱片),一般要求其厚度小于0.2mm,發(fā)熱體電阻在36Ω左右。發(fā)熱體電阻隨溫度的變化極小。5.2.4加熱測(cè)量時(shí)，加熱片的發(fā)熱在持續(xù)時(shí)間上恒定，在空間分布上均勻。5.2.5選擇適當(dāng)?shù)募訜犭娏?，控制測(cè)量裝置的升溫速度。加熱之初，升溫速度可以達(dá)到每秒幾度的量級(jí)，且隨加熱的進(jìn)行而減小。熱測(cè)量結(jié)束時(shí)的升溫速度應(yīng)在0.1K·s1左右。5.3測(cè)溫元件5.3.1測(cè)溫元件采用熱慣性小，響應(yīng)靈敏的特制溫差電偶。5.3.2特制的溫差電偶1和溫差電偶2,采用0.05mm的、經(jīng)標(biāo)定后的金屬絲和合金絲加工而成。45.3.3要求溫差電偶的接點(diǎn)牢固，可靠。保護(hù)層的厚度控制在3-6μm且堅(jiān)固，耐摩擦。5.3.4溫差電偶的測(cè)量精度為0.1K,適用溫度范圍：-40-200℃。6測(cè)量系統(tǒng)6.1測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成脈沖法瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。它由直流穩(wěn)流電源，測(cè)量裝置，測(cè)溫元件，溫度采集模塊，中央處理器，輸入、輸出、顯示及打印設(shè)備等部分組成。打印打印顯示中央處理器輸入測(cè)量裝置測(cè)溫元件精密可調(diào)直流穩(wěn)流電源采溫模塊圖2固體材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的瞬態(tài)測(cè)量-脈沖法測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖6.2直流穩(wěn)流電源本測(cè)量系統(tǒng)，要求用能產(chǎn)生恒定熱流強(qiáng)度的直流穩(wěn)流電源供電。直流穩(wěn)流電源的技術(shù)要求為輸入：交流220V,50Hz市電；輸出：穩(wěn)定直流。在0.010A到1.000A之間精密可調(diào)。在熱測(cè)量時(shí)間內(nèi)(以300秒計(jì)),加熱電流的6.3中央處理器、輸入、輸出以及顯示設(shè)備系統(tǒng)的中央處理器、輸入、輸出以及顯示設(shè)備等可以選用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。6.4溫度采集模塊溫度采集模塊是本測(cè)量系統(tǒng)的核心部件之一。其主要技術(shù)指標(biāo)為溫度分辨率：△9≤0.1K。6.5長(zhǎng)度檢測(cè)測(cè)量試件邊長(zhǎng)和直徑的儀器精度不應(yīng)低于0.001mm;測(cè)量試件厚度的儀器精度不應(yīng)低于0.00016.6質(zhì)量測(cè)量5質(zhì)量測(cè)量?jī)x器精度不應(yīng)低于0.01g。7.1測(cè)量條件7.1.1測(cè)量裝置應(yīng)避免強(qiáng)光直射，室內(nèi)風(fēng)速小于0.3m·s-1,環(huán)境溫度為5-35℃,波動(dòng)幅度不應(yīng)大于±2℃,相對(duì)濕度不超過(guò)60%。7.1.2測(cè)量遇熱易變形試件時(shí)，試件加熱不應(yīng)引起材料發(fā)生相變或超過(guò)1%的形變。7.1.3試件含濕率的變化對(duì)測(cè)量的影響較大。不同含濕率的同一試件，在相同溫度下的測(cè)量值沒(méi)有可比性。只有絕干試件的熱物性，在同一狀態(tài)下的測(cè)量值，才是一致的。7.2試件制備7.2.1材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的瞬態(tài)測(cè)量-脈沖法的待測(cè)試件，必須滿(mǎn)足一維半無(wú)限大傳熱模型定解問(wèn)題的邊界條件和初始條件。且表面平整，不得進(jìn)行表面材質(zhì)、密度的改性。7.2.2待測(cè)試件采用同批次的同種材料，制成長(zhǎng)、寬均為lm的主試件、輔件1、輔件2等三塊平板。7.2.3主試件的厚度，依待測(cè)材料的密度不同可以有較大差別。對(duì)于大多數(shù)待測(cè)材料來(lái)說(shuō)，主試件的厚度在0.001-0.016m之間取值，均勻性好的材料可以做得較薄，輕質(zhì)材料厚度宜大一些。7.2.4若主試件的厚度取xm,輔件1的厚度D不小于3xm;輔件2的厚度d不小于2xm。7.2.5試件可以做成方體和圓柱體，對(duì)于方體，l取0.200m;對(duì)于圓柱體，直徑Φ取0.060m。7.3測(cè)量步驟7.3.1測(cè)量試件參數(shù)測(cè)量主試件的質(zhì)量、長(zhǎng)、寬和厚，按圖1組裝測(cè)量裝置。7.3.2完成系統(tǒng)設(shè)置設(shè)置熱面、冷面和環(huán)境溫度的采樣通道，采樣時(shí)間間隔。7.3.3預(yù)置加熱電流依待測(cè)材料密度不同選擇適當(dāng)?shù)募訜犭娏?，以控制加熱升溫速度。保溫絕熱材料，加熱電流可在0.1-0.4A之間取值；密度大的待測(cè)材料，電流宜大一些。7.3.4熱測(cè)量7.3.4.1開(kāi)始測(cè)量，觀察溫度-時(shí)間曲線，測(cè)量數(shù)據(jù)列表的記數(shù)。若冷面、熱面和環(huán)境溫度基本一致(溫度差小于0.2℃),可以開(kāi)始加熱測(cè)量。7.3.4.2加熱測(cè)量之后，熱面溫度迅速上升；冷面溫度有所滯后。當(dāng)觀察到冷面溫度土升到0.5℃左右時(shí)，即可斷電停止加熱。7.3.4.3此時(shí)，應(yīng)繼續(xù)觀察測(cè)量熱面溫度的降低過(guò)程，直到從斷電時(shí)刻算起，至少有70組記數(shù)時(shí)，方可停止測(cè)量。7.3.5錄入直接測(cè)量數(shù)據(jù)67.4.1Y函數(shù)令令9(x,t)--表示離平面熱源的距離為x處，加熱到t=t-t?時(shí)間內(nèi)，材料的溫度變化。且7T(x,t)--待測(cè)材料中，x處(冷面)加熱T(x,t?)-待測(cè)材料中，x處(冷面)加熱起始時(shí)刻的溫度在上述(3)和(4)兩式中，(3)式僅適用于t≤T?的情況；而(4)式則只適用于t≥t?的8上述(6)、(7)兩式，即為脈沖法瞬態(tài)測(cè)量材料熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率的基本計(jì)算公式。7.4.6平面熱源自身吸熱對(duì)測(cè)量影響的修正正。所謂修正，就是將加熱片自身的吸熱功率，從總的電加熱功cpo-加熱片的定壓比熱容；加熱測(cè)量時(shí)加熱片的升溫速度；在瞬態(tài)測(cè)量中，升溫速度可以從測(cè)量列分之開(kāi)爾文K·s-1;R--加熱片發(fā)熱體的電阻。單位采用歐姆Ω;l?—主試件的長(zhǎng)度。單位采用m;l?—主試件的寬度。單位采用m。7.5數(shù)據(jù)處理7.60測(cè)量誤差材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的瞬態(tài)測(cè)量-脈沖法測(cè)量的A類(lèi)不確定度參見(jiàn)附錄B,同一狀態(tài)測(cè)量復(fù)現(xiàn)性≤2.0%。B類(lèi)不確定度≤0.2%。8絕干材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量在執(zhí)行上述第7.3.4步驟之前，需要將待測(cè)試件組反復(fù)烘烤到恒重，去除水分9測(cè)量報(bào)告99.2檢測(cè)依據(jù)；9.3環(huán)境溫度、相對(duì)濕度；9.4試件信息：包括試件的材料名稱(chēng)、規(guī)格型號(hào)、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、產(chǎn)品尺寸、試樣密度、試樣含濕率等；9.5測(cè)量?jī)x器信息：包括儀器名稱(chēng)、型號(hào)等；9.6測(cè)量結(jié)果：熱測(cè)量溫度范圍，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的擬合公式，給定測(cè)量溫度下，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量值等；9.7測(cè)量單位信息：包括測(cè)量單位名稱(chēng)，測(cè)量人，審校，測(cè)量主管等；9.8測(cè)量時(shí)間。A.2將(2)式改寫(xiě)為,………………(A.2)對(duì)(A.6)式，取m=15,k=15。做六次左右的迭代，不論用何種語(yǔ)言編程運(yùn)算，都可以很快計(jì)算(規(guī)范性附錄)B.1測(cè)量和數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化B.2測(cè)量操作系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的瞬態(tài)測(cè)量-脈沖法測(cè)量操作和數(shù)據(jù)B.3測(cè)量操作系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)(D),工具(I),幫助(H)和測(cè)量操作按鍵等。第二功能：采集、顯示測(cè)量的溫度-時(shí)間曲線；B.4數(shù)據(jù)處理流程——將整理好的測(cè)量數(shù)據(jù)代入(5)式，計(jì)算一系列B,(y)函數(shù)的測(cè)量值；——利用計(jì)算得到的B?(y)的測(cè)量值，代入(2)式解算。即獲得y;函數(shù)的測(cè)量值；——利用解出的y,,代入(6)式，計(jì)算熱擴(kuò)散系數(shù)a;——將計(jì)算獲得的a,、測(cè)量值以及用(8)式計(jì)算出的熱流強(qiáng)度q,代入(7)式，計(jì)算熱導(dǎo)率λ