GB/T 42919.3-2023 塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定 第3部分：溫度波分析法（正式版）

ICS83.080.01GB/T42919.3—2023塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定(ISO22007-3:2008,MOD)國家標準化管理委員會國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布國家標準化管理委員會GB/T42919.3—2023本文件是GB/T42919《塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定》的第3部分。GB/T42919已經發(fā)本文件與ISO22007-3:2008相比做了下述結構調整：——第5章對應ISO22007-3:2008中的5.1～5.3;——6.8對應ISO22007-3:2008中的7.3; 附錄B對應ISO22007-3:2008中附錄D,附錄D對應ISO22007-3:2008中附錄B.本文件與ISO22007-3:2008的技術差異及其原因如下：——用規(guī)范性引用的GB/T2035替換了ISO472(見第3章),以適應我國的技術條件，增加可操 用規(guī)范性引用的GB/T42919.1替換了ISO22007-1(見第3章),以適應我國的技術條件，增 刪除了液體試樣(見ISO22007-3:2008的7.1和8.3),因無法驗證本文件是否適用于液體試樣；——用規(guī)范性引用的GB/T27418替換了ISO/IECGuide98-3(見11.1),以適應我國的技術條 更改了重復性數(shù)據(jù)，由1%修改為5%(見11.2).依據(jù)我國實驗室測得的試驗結果，以適應我國IⅡGB/T42919.3—2023塑料的熱傳導性能在塑料工業(yè)和其他領域都是不可或缺的。塑料用于各種新應用領域時，如納米技術和生物醫(yī)學，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散系數(shù)GB/T42919《塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定》擬由六個部分構成。 第1部分：通則。目的在于建立導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定試驗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熱系數(shù)和熱擴散系數(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熱系數(shù)和熱擴散系數(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熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的——第5部分：聚甲基丙烯酸甲酯樣品實驗室間測試結果。目的在于通過多個實驗室對聚甲基丙烯酸甲酯的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)進行測定并提供試驗數(shù)據(jù)?！?部分：基于溫度調制技術的比較法。目的在于為使用溫度調制技術測定低導熱系數(shù)的比1GB/T42919.3—2023塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定第3部分：溫度波分析法1范圍本文件適用于各向同性或異性結構的塑料，其熱擴散系數(shù)α的范圍為1.0×10-?m2·s-1~1.0×GB/T2035塑料術語及其定義(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塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(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(Quantitiesandunits—Part5:Thermodynamics)GB/T2035、GB/T42919.1和ISO80000-相移phaseshift2GB/T42919.3—2023k:為(w/2α)1/2的值。w。: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儀器設備儀器設備應符合第5章所述，用于測定熱擴散系數(shù)，并應包括圖1中的主要部件，圖1為儀器設備圖1儀器設備示意圖恒溫密閉容器的溫度范圍應適合待測材料。3GB/T42919.3—20236.3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。度傳感器的熱容量宜忽略不計。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)。采用導電膏或焊料能提供從引線層到電纜的電觸點，該電觸點用于電源和測量設備的連接。感器也能在一定載荷下固定在試樣表面。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2——濺射加熱器(前);3——濺射溫度傳感器(后);mm,L=10mm,L=54GB/T42919.3—2023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振蕩頻率的測量精度宜優(yōu)于0.05%。應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能通過如圖1所示的設置進行測量。相移測量的精度宜6.7試樣溫度測量裝置6.8試樣背板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7試樣7.1尺寸器面積的試樣(見圖2),原則上能根據(jù)測量熱擴散系數(shù)和滿足kd>1或w>w.條件下所用的溫度波頻注：接受的測試所需的頻率-厚度關系的實例見附錄C。7.2厚度在將試樣放入試樣架之前進行測量，試樣厚度的變化宜小于平均厚度的1%或1μm,以較小者為準。8試驗步驟8.1測量試樣厚度。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械載荷，以確保引線與加熱器和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5測器。8.5以不超過10K/min的速率將溫度升高或降低至試驗溫度。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未達到熱平衡的原因。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到熱平衡后再重新測試。8.7閉合測量電路，在加熱器中產生交流電流，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整加熱器的電源，以將試樣溫升限制在1K以內。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8.7～8.8的步驟，進一步測量其他頻率下的相移。選擇至少5個使△θ<-3π/4滿足經驗標準的頻率(見圖3)。注：經驗標準△θ<-3π/4是確保kd>1(即w>w。)的必要條件。當試樣的熱性能未知時，該標準用于估算合適的頻率范圍(見附錄B)。一-3π/240圖3相移△θ與角頻率平方根o1/2關系圖的示例8.10再次進行一次平行試驗。8.11如果試驗在一個或多個更高或更低的溫度下進行，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結果計算與表示9.1對于給定的樣品厚度和溫度，熱擴散率是根據(jù)相移△θ與溫度波角頻率w的平方根的關系曲線斜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所需的條件。在這種情況下，在不同的頻率范圍內進行重復測試。9.3計算試驗溫度下的試樣厚度，考慮熱膨脹引起的厚度變化。9.4材料的熱擴散系數(shù)α由公式(1)計算得出(見附錄A)。6GB/T42919.3—2023a——熱擴散系數(shù)，單位為平方米/秒(m2/s);9.6測試結果取兩次試驗的平均值，保留3位有效數(shù)字。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，應單獨校10.1.3校準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。能通過測試參考樣品來驗證方法和儀器，宜包括待測試材料的熱擴散系數(shù)范圍和溫度范圍。驗證結果的偏差應小于參考值的5%,若超過此限值，宜重新檢查測試條件和/或重新校準儀器的各種參注：參考文獻[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行常規(guī)測量，當根據(jù)GB/T27418進行評定時，用溫度波法測定熱擴散系數(shù)的擴展不確定度(置信水平為95%)估計在1.0×10-?m2·s-1<a<1.0×10-?m2·s-1范圍內優(yōu)于5%。如使用與試樣接觸的非濺射溫度傳感器，則擴展不確定度估計在5%～10%內(見附錄E)。使用相同試驗條件對相同試樣連續(xù)測量的重復性優(yōu)于5%。12試驗報告試驗結果應包括以下信息：a)本文件編號；d)所用儀器的規(guī)格；7GB/T42919.3—2023h)每種溫度的相移與角頻率平方根的關系圖(見圖3);k)任何其他相關項目。8GB/T42919.3—2023(資料性)溫度波分析的數(shù)學背景對厚度為d的試樣建立了一維熱傳導模型，該試樣位于半無限厚的背板之間。當在試樣的前表面(x=0)產生正弦溫度波時，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，則通過求解一維擴散方程[1-3]來描述x=d時的溫度振蕩T(x,t),見公式(A.1):…………(A.1)式中：T(d,t)——x=d時的溫度振蕩； j?！獂=0時產生的周期性熱通量，其中j=joexp(iut),單位為瓦特每平方米(W/m2);0——角頻率，單位為弧度每秒(rad/s);λ——導熱系數(shù)，單位為瓦特每米開爾文[W/(m·K)];K——(w/2α)1/2,其中α為熱擴散系數(shù)；下標“b”指背板?！?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△θ是角頻率w平方根的線性函數(shù)，因此試樣的熱擴散系數(shù)能由公式(A.4)確定：…………(A.4)式中，A是給定厚度d的相移與角頻率平方根曲線圖中線性部分的斜率。9GB/T42919.3—2023(資料性)o?2一π/2一常Aθ/radtGB/T42919.3—2023(資料性)測試所需的頻率-厚度關系示例測試所需的頻率-厚度關系示例見圖C.1和圖C.2。標引序號說明：圖C.1測試所需的頻率-厚度關系(對數(shù)-對數(shù)圖)32標引序號說明：圖C.2測試所需的頻率-厚度關系(對數(shù)-線性圖)GB/T42919.3—2023(資料性)表D.1聚酰亞胺的典型熱擴散系數(shù)數(shù)據(jù)4T℃aT℃a0GB/T42919.3—2023(資料性)熱擴散系數(shù)測試的不確定度實例室溫下有機玻璃(PMMA)、聚醚砜樹脂(PES)和氧化鋯的熱擴散系數(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散系數(shù)測試的不確定度材料d擴展不確定度%有機玻璃(PMMA)1.15×10-1聚醚砜樹脂(PES)1.24×10-12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.,37:L1484-L1487(1998).[3]HATTA,1.,SAKAKIBARA,K.,SuzoKI,J.andYAO,H.:Ana.c.calorimetricmeth-odformeasuringthermaldiffusivityofliquid