GB/T 42919.4-2023 塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定 第4部分：激光閃光法（正式版）

ICS83.080.01GB/T42919.4—2023塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定(ISO22007-4:2017,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/T42919.4—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4部分。GB/T42919已經(jīng)發(fā)本文件與ISO22007-4:2017相比做了下述結構性調整：——第12章對應ISO22007-4:2017中的第11章； 附錄A對應ISO22007-4:2017中的附錄B,附錄B對應ISO22007-4:2017中的附錄C,附錄C對應ISO22007-4:2017中的附錄A。本文件與ISO22007-4:2017的技術差異及其原因如下：——增加了規(guī)范性引用的GB/T2035(見第3章),以適應我國的技術條件；——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； 用規(guī)范性引用的GB/T2918替換了ISO291(見第6章),以適應我國的技術條件 用規(guī)范性引用的GB/T39812替換了ISO2818、GB/T1040.1替換了ISO527-1(見附錄——增加了導熱系數(shù)λ的計算公式到注中(見第4章);——將ISO22007-4:2017中6.2的注2內容調整至正文中(見6.2);IIⅡGB/T42919.4—2023GB/T42919描述了各種不同原理測定塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的方法。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面內容?！?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)的激光閃光法，確立可操——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/T42919.4—2023塑料導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測定第4部分：激光閃光法本方法適用于在-100℃~400℃的氣體或真空環(huán)境下熱擴散系數(shù)為1×10-?m2s-1~1×GB/T1040.1塑料拉伸性能的測定第1部分：總則(GB/T1040.1—20GB/T2035塑料術語及其定義(GB/T2035—2008,ISO472:1999,IDT)GB/T2918塑料試樣狀態(tài)調節(jié)和試驗的標準環(huán)境(GB/T2918—2018,ISO291:2008,MOD)GB/T27418測量不確定度評定和表示(GB/T27418—2017,ISO/IECGuide98-3:2008,MOD)GB/T39812塑料試樣的機加工制備(GB/T39812—2021,ISO2818:2018,IDT)GB/T42919.1塑料導熱系數(shù)和熱擴散率的測定第1部分：通則(GB/T42919.1—2023,ISO22007-1:2017,MOD)3.13.23.3最大溫升maximumtemperaturerise2GB/T42919.4—2023半升溫時間half-risetimet?/2試樣表面的溫度-時間曲線。3.6厚度thicknessd傳熱測量方向的試樣尺寸。4原理在平板試樣的一面(正面)施加一個激光脈沖，相比于半升溫時間該激光脈沖持續(xù)時間很短，能量分布均勻(見6.1)。樣品另一面(背面)的瞬態(tài)溫升為時間的函數(shù)(見圖1)。通過將測量溫度曲線與理論模型(見第9章和附錄A)進行比較得到熱擴散系數(shù)。λ=a·Cp·p (1)3GB/T42919.4—2023△Tmax△Tmax/20ab標引符號說明：a——基線；5.1通則測溫裝置(如熱電偶)的爐體(加熱爐和氣候室)、閃光源(如激光)、脈沖檢測器、瞬態(tài)探測器(紅外探測5.2爐體4GB/T42919.4—2023測溫裝置的設計應不會顯著干擾激光脈沖在試樣中產(chǎn)生的溫度場。3——試樣；圖2激光閃光法測量熱擴散系數(shù)的裝置圖閃光源的能量水平應控制在試樣背面產(chǎn)生的溫升不超過3K,試樣正面受到脈沖加熱的空間能量分布盡可能均勻，脈沖持續(xù)時間應小于1ms。熱脈沖源可優(yōu)選激光器，也可為閃光管。光電二極管能用來確定脈沖的持續(xù)時間和形式以及起始時間。5.4瞬態(tài)探測器能使用紅外探測器測量試樣背面的瞬態(tài)溫升，瞬態(tài)探測器應能檢測到試樣背面溫度5mK的變探測器及其相關電子設備(放大器、模擬/數(shù)字轉換器等)的頻率響應大于10kHz。如使用電子濾注：紅外探測器的選擇取決于溫度范圍，當溫度范圍在-100℃~400℃,也能使用光伏或光電導探測器。測量試樣背面的溫度或與其成正比的量(如電壓),并應在整個測試期間連續(xù)記錄，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以是模擬的或數(shù)字的，應對溫度圖上超過1000個數(shù)據(jù)點進行采樣，采樣頻率高于100/t?/2,時間精度優(yōu)5于±1×10-?s。5.5測厚儀對于軟質塑料，應使用具有可重復低壓縮功能的千分尺。6.1試樣的形狀和尺寸試樣應為圓形薄片，直徑為5mm～20mm,試樣厚度應根據(jù)脈沖寬度和材料的熱擴散系數(shù)來選擇，選擇的脈沖寬度應小于半升溫時間的0.01倍。通常，厚度為0.5mm～3mm。應選擇適宜徑厚比的試樣，以便在試驗過程中忽略二維效應，直徑與厚度之比應大于3:1。試樣兩表面應平整且平行，不平行度應小于平均厚度的1%,較大不均勻性的影響能用測量不確定度來估計。6.2試樣的制備和處理試樣應能代表所檢測的材料，并應小心制備和處理。如切割試樣時，宜避免過熱、分子取向變化或任何其他可改變試樣性能的影響。按附錄B制備定向各向異性試樣。應按相關材料標準或相關方商定的方法在測量前對樣品進行處理。除非另有規(guī)定，否則宜按照注：由于材料及其熱歷史，試樣制備方法可能會對測量結果產(chǎn)生影響。6.3試樣涂層對特定波長激光脈沖透過的試樣，測試前應在其表面涂覆適當涂層(例如金屬涂層),以防止激光脈沖穿透試樣。試樣表面可涂覆一層不透明的黑色薄層(即一層石墨),以優(yōu)化脈沖能量的吸收和熱輻射的散發(fā)。涂層對傳熱的影響應忽略不計(即涂層與試樣相比應具有高的熱擴散系數(shù)和薄的厚度)。對涂層厚度進行選擇時，涂層的半升溫時間應小于試樣總半升溫時間的2%。注1:涂層的半升溫時間t?/2能夠通過其厚度d和熱擴散系數(shù)a,采用公式(2)及變形公式(A,1)計算： (2)式中：t?/——半溫升時間，單位為秒(s);d——涂層厚度，單位為毫米(mm);a——熱擴散系數(shù)，單位為平方米每秒(m2/s)。7校準和核查7.1儀器校準激光閃光技術是一種絕對方法，允許用戶在不使用參考材料進行校準的情況下，可直接溯源到基本——用于測量樣品厚度的測厚儀；6GB/T42919.4—2023——用于測量樣品穩(wěn)態(tài)溫度的測溫裝置；——用于測量紅外探測器信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時間基準和電壓； 紅外探測器。該校準主要用于低于200℃紅外探測器的校準，不能忽視此時輸出溫度的非線性行為(見ISO18755)。7.2儀器核查宜通過測量一種或多種覆蓋待測材料熱擴散系數(shù)范圍的參考物質來定期核查儀器。如測量值與參考值之差超過參考值的5%,則按照7.1重新進行校準。核查試驗可采用一些具有明確且可重復的熱性能的材料來開展，如Armco鐵、Poco石墨、Pyroceram9606和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。其中的Pyroceram9606(陶瓷材料)已通過認證，其熱擴散系數(shù)測量是涉及國家計量機構的國際計劃的一部分[3]。該有證參考物質可從參考材料和測量協(xié)會選擇的參考物質的半升溫時間和熱擴散系數(shù)宜與待測材料接近。8試驗步驟8.6測量試樣的穩(wěn)態(tài)溫度。8.8用激光脈沖照射試樣，采取適當?shù)陌踩A防措施，確保激光束不會造成試樣的任何分解。將試樣8.9連續(xù)測量和記錄激光脈沖前后試樣背面的溫度隨時間變化的量，所獲得的溫度曲線應包括基線、瞬態(tài)上升期和冷卻期(見圖1)。8.10如需要，測量在8.8中施加的激光脈沖的能量-時間曲線，以修正脈沖的持續(xù)時間的影響(見附錄A)。8.11根據(jù)溫度曲線，按照第9章計算熱擴散系數(shù)。8.12按照8.8～8.11,在相同溫度下至少重復3次，計算熱擴散系數(shù)的平均值和偏差。假設試樣是均勻的，如對均勻性有任何疑問，采用兩個厚度比約為1:2的試樣進行測量。如測得的擴散系數(shù)相同，則不均勻性的影響可忽略不計。8.13重復步驟8.5～8.12,進行下一個溫度點的測試。生影響。如在較高溫度下進行試驗，宜研究此類溫度對試樣可能發(fā)生的變化所產(chǎn)生的影響。可在該試驗前后各進行一次室溫下的熱擴散系數(shù)測定，如果結果有差異，宜考慮減少每個試樣在更高溫度下試驗時間。宜避免在試樣可能發(fā)生轉變的溫度下進行試驗(如一級或二級相變、晶體轉變或玻璃化轉變)。7GB/T42919.4—20239結果計算與表示9.1結果計算試樣背面溫度曲線的分析和熱擴散系數(shù)的計算如下。a)如半升溫時間t?/?小于脈沖寬度的100倍，則進行有限脈沖修正(見附錄C)。b)確定曲線的基線和最大值，計算最大溫升△Tmx。如基線顯示漂移，則通過外推基線來校正溫度曲線。c)將所有溫升值除以△Tma,修正背面溫升曲線。d)采用部分時矩法[6]或任何其他適宜的方法，使用熱膨脹校正后的厚度計算熱擴散系數(shù)。本文件中推薦的“部分時矩法”對測試噪聲的靈敏度低，它只使用溫度曲線的上升部分，這一部分對熱擴散系數(shù)影響較大。只要已知不確定度，也可使用其他方法。附錄A給出了此類計算方法的示例。在部分時矩法中，熱擴散系數(shù)α由公式(3)給出： (3)由公式(4)和公式(5)定義兩個部分時間矩m。和m-1: (4)和 (5)其中△T(t)從實驗溫度曲線中得到。to.1和to.g是從脈沖到達試樣背面達到△Tmax的10%和80%所需的時間。函數(shù)F(m_1)由公式(6)和公式(7)定義：當0.44>m-1>0.27:F(m_1)=0.08548-0.314(0.5486-m-1)+0.500(0.5486-m_1)2.63 (6)F(m_1)=—0.0819+0.305m-1…………(7)當滿足下列條件時，可采上述計算方法：——與熱擴散的時間特性(即脈沖寬度小于t?/?的1%)相比，激光脈沖的持續(xù)時間較短，如果情況不符合，參考附錄A對時間尺度進行修正；——在激光脈沖的作用下，試樣的正面被均勻加熱；——試樣是均勻的；——在所用波長處，試樣對激光輻射不透過。注4:通過在試樣的兩個表面上噴涂適當?shù)耐繉?，滿足試樣不透明的假設。8GB/T42919.4—20239.2結果表示試驗結果可以是一個試樣的測試結果(如每次只測一個試樣)或是所有試樣測試結果的平均值。試驗結果保留三位有效數(shù)字。10不確定度按照GB/T27418規(guī)定，通過激光閃光法和部分時矩法，計算在環(huán)境溫度和400℃之間(取決于材料和溫度),熱擴散系數(shù)測定的相對擴展不確定度(置信度為95%)估計為士3%~±5%7。基于在相同條件下進行5次成功測量驗證，該方法的重復性優(yōu)于1%。11精密度見附錄D。12試驗報告試驗報告應包括以下信息：a)本文件編號；b)試驗日期；d)試樣規(guī)格尺寸(每次測試時在室溫下的直徑和厚度，給出測試溫度下厚度的計算方法)及測試試樣的編號；e)試樣制備詳情；g)激光脈沖的波長和持續(xù)時間；h)用于測量試樣背面瞬態(tài)溫升的探測器類型；i)使用的加熱爐類型及其溫度范圍；k)用于計算熱擴散系數(shù)和評估校正(例如，由于熱損失和有限脈沖持續(xù)時間)的方法；1)測定的熱擴散系數(shù)/導熱系數(shù)；m)偏離本文件的測試條件或材料。9(資料性)計算熱擴散系數(shù)的替代方法所有計算熱擴散系數(shù)的方法都是基于具有適當初始和邊界條件的熱傳導方程。最初的方法[8是基于與絕熱試驗相對應的分析模型，在此基礎上根據(jù)半升溫時間t?/2計算熱擴散系數(shù)。在絕熱試驗的情況下，熱擴散系數(shù)α僅由厚度d和半升溫時間t?/2相關，并按公式(A.1)進行計算：由于方法忽略了熱損失，在熱擴散系數(shù)測定中出現(xiàn)顯著的系統(tǒng)誤差。由于部分塑料材料的熱擴散系數(shù)較低，因此該模型不是一種合適方法，而且該試驗不能被認為是絕熱的。一些方法是在上述方法的基礎上進行了改進，考慮不可避免的熱損失，計算熱擴散系數(shù)時引入修正因子，在試驗曲線上使用一個或多個特征點。常用的方法包括Cape和Lehman方法[9]、Cowan方隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術的進步，基于部件分析法(部分時間矩法[6])或基于整體溫度響應法(最小二乘法(12)得到了越來越多的運用。這些計算方法通常是基于將從數(shù)學模型中獲得的測量值和理論值之間的差異最小化，它們既不同于所用的分析模型，也不同于通過比較測量的試驗溫升與時間記錄的分析曲線的方法。GB/T42919.4—2023(規(guī)范性)以一塊樣板為例見圖B.1。 圖B.1樣品示例B.3樣品制備樣板最好是用顆粒注塑成型。注塑條件應符合相關材料的國家標準，如果無法實現(xiàn)，則由相關方GB/T42919.4—2023從成品取的試樣應取自曲率最小的平坦區(qū)域。樣板不宜加工以減少其厚度。表面進行加工的試樣與表面未進行加工的試樣的測試結果不具有可B.4試樣檢查試樣檢查應按照GB/T1040.1規(guī)定進行。B.5樣品各向異性通過平行和垂直于典型成型流動方向切割樣品，能對樣品熱性能的方向依賴性進行評估。當無法——流動方向(平面內):x方向(見圖B.1);——垂直于流動方向(平面內):y方向(見圖B.1);——垂直于流動方向(穿過平面):z方向(見圖B.1)。B.6試樣的位置和制備所有試樣應從樣品中間開始，按照流動方向制備(見圖B.2和圖B.3)。圖B.2試樣位置圖GB/T42919.4—2023t——樣板厚度；圖B.3試樣制備過程圖根據(jù)測量設備的不同，試樣的尺寸也會有所不同。下面是一個用于特殊示例幾何圖形的選項。在平面方向進行測量，沿與流動方向平行(x軸)或垂直(y軸)的方向，以切割或打孔的方式從樣板中間取下一個28mm×12.7mm×2mm的薄片。從薄片上加工得到12.7mm×2mm×2mm樣B.6.2測量方向為z方向通過制備平行(如圖B.3所示)或垂直于流動方向的試樣，能確定導熱系數(shù)在平面方向上的各向B.7試驗報告除第12章的規(guī)定外，試驗報告還應包括以下信息試樣制備和試樣加工的細節(jié)：a)包括關于流動方向測量信息；b)測定試樣比熱的方法及相應的標準；c)所有偏離本附錄的部分。GB/T42919.4—2023(資料性)有限脈沖持續(xù)時間修正所有計算熱擴散系數(shù)的方法都假定激光脈沖符合Dirac函數(shù)，因此不能忽略脈沖持續(xù)時間的影響(見第9章),宜對有限脈沖時間進行修正。通過半升溫時間t?2計算熱擴散系數(shù)的第一種方法是假設一個Dirac函數(shù)形式的脈沖，并對獲得的更通用的方法是將時間原點作為到激光脈沖的中心點tg,并計算熱擴散系數(shù)。在這種情況下，激GB/T42919.4—2023(資料性)多家實驗室測試熱擴散系數(shù)精密度數(shù)據(jù)表D.1驗證試驗材料實驗室內和實驗室間精密度統(tǒng)計樣品實驗室內實驗室間標準差S,/重復性限r重復性相對標準差Sg/再現(xiàn)性限R再現(xiàn)性相對誤差/%聚酰亞胺碳纖維復合材料0.330.9247.77環(huán)氧碳纖維復合材料0.250.700.250.70酚醛玻璃纖維復合材料0.050.134.790.110.30聚砜0.020.070.030.086.17聚乙烯0.030.094.600.130.37聚丙烯0.020.070.060.15聚醚酮0.040.100.060.179.90該測試方法的精密度(以熱擴散系數(shù)表示)結果為：GB/T42919.4—2023[1]GB/T6379.2測量方法與結果的準確度(正確度與精密度)第2部分：確定標準測量方法[2]ISO18755,Fineceramic(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)-Determinationofthermaldiffusivityofmonolithicbylaserflashmethod[3]SALMOND.,BAXENDALES.,GROBOTHG.,HAYB.,HAMMERSCHMIDTU.,BRANDTR.,SINNEMAS.,BAILLISD.ThecertificationofthermalconductivityanddiffusivitypropertiesofPyroceram9606asareferencematerialupto1000℃,HTCRM,CertificationReport[4]http://www.irmm.jrc,be[5]AKOSHIMAM.,&BABAT.,ThermalDiffusivityMeasurementofCandiateReferenceMa-terialsbytheLaserFlashMethod.IntJ.Thermophys.2005,26[6]:1883-1898.[6]DEGIOVANNIA.,&LAURENTM.Unenouvelletechniqued'identificationdeladiffusivitethermiqueparmethodeflash.Rev.Phy.Appl.(Paris).1986,21:229-237.[7]HAYB.,FILTZJ.-R.,HAMEURYJ.,RONGIONEL.UncertaintyofThermalDiffusivityMeasurementsbyLaserFlashMethod.Int.J.Thermophys.2005,26(6):1883-1898.[8]PARKERW.J.,JENKINSR.J.,BUTLERC.P.,ABBOTG.L.Flashmethodofdeterminingthermaldiffusivity,heatcapacityandthermalconductivity.J.Appl,Phy.1961,32(9):1679-1684.[9]CAPEJ.A.,&LEHMANG.W.Temperatureandfinitepulse-timeeffectsintheflashmeth-odformeasuringthermaldiffusity.J.Appl.Phys.1963,34(7):1909-1913.[10]cOWANR.D.Pulsemethodofmeasuringthermaldiffusivityathightemperatures.J.Appl.Phys.1963,34(4):926-927.[11]CLARKL.M.,&TAYLORR.E.Radiationlossintheflashmethodforthermaldiffusivity.J.Appl.Phys.1945,46(2):714-719.[12]GEMBAROVICJ.,VOZARL.,MAJERNIKV.Usingtheleastsquaremethodfordatare-ductionintheflashmethod.Int.J.HeatMassTransfer.1990,33(7):1563-1565.[13]