建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù) 平面熱源測試法 

ICSFORMTEXTFORMTEXT點(diǎn)擊此處添加中國標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)分類號中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/TFORMTEXTXXXXX—FORMTEXTXXXXFORMTEXTFORMTEXT建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)平面熱源測試法FORMTEXTDeterminationofbuildingmaterialsthermalconductivityandthermaldiffusivity——TransientplaneheatsourcemethodFORMTEXT點(diǎn)擊此處添加與國際標(biāo)準(zhǔn)一致性程度的標(biāo)識FORMDROPDOWNFORMTEXT（本稿完成日期：2012年6月30日）FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX發(fā)布FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX實(shí)施GB/T—XXXXA.4)式中：r——雙螺旋結(jié)構(gòu)最外層半徑，單位為mm；ax——樣品在x軸的熱擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s。采用與A.1相同的迭代法反復(fù)迭代，得出x軸上的熱擴(kuò)散系數(shù)ax和x軸的校正時間tc的值，在樣品的體積比熱容已知的情況下，樣品x軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)按公式（9）計(jì)算。采用與A.1相同的最小二乘法擬合△Ts(τx)和D(τx)的線性關(guān)系式，該式斜率即為公式（4）中P0/（π3/2r）的值，由公式（9）得出的λx，可計(jì)算得出λz，根據(jù)體積比熱容，最終得出z軸方向的熱擴(kuò)散系數(shù)az。即通過一次瞬態(tài)測試就可得到單軸各向異性材料在兩個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。薄片樣品的計(jì)算原理導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)按公式（10）確定，τ應(yīng)按公式（A.1）和（A.2）計(jì)算，E(τ)應(yīng)按公式（11）計(jì)算，E(τ)與τ的典型曲線見圖A.1。采用與A.1相同的迭代法反復(fù)迭代，得出熱擴(kuò)散系數(shù)a和校正時間tc的值；采用最小二乘法擬合△Ts(τ)和E(τ)的線性關(guān)系式，該式斜率即為公式（10）中P0/（π3/2rλ）的值，最終得出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。薄膜樣品的計(jì)算原理當(dāng)測試高導(dǎo)熱系數(shù)的材料時，初始溫度迅速增加，而后是逐步升高。探頭表面的絕緣層及雙螺旋結(jié)構(gòu)是引起初始溫度迅速增加的原因。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，絕緣層在短時間內(nèi)初始溫度迅速增加，而后變?yōu)橐粋€常數(shù)。原因是在實(shí)驗(yàn)中輸出總功率、探頭面積和絕緣層厚度已知，且保持不變。如果探頭上覆蓋的絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)能通過單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)得到，采用將薄片放置在探頭和高導(dǎo)熱系數(shù)材料之間的方式（類似一個無限大的固體或厚片）就可以測量薄膜材料的導(dǎo)熱系數(shù)。因此需要進(jìn)行兩次測試才能得到薄膜材料的導(dǎo)熱系數(shù)。首先將探頭放置于兩片高導(dǎo)熱材料之間進(jìn)行一次試驗(yàn)，按公式（12）計(jì)算探頭絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)。將兩片薄膜樣品分別放置于探頭與高導(dǎo)熱材料之間，采用與第一次試驗(yàn)相同的試驗(yàn)條件再進(jìn)行一次試驗(yàn)，根據(jù)公式（13）計(jì)算薄膜樣品導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算原理

（資料性附錄）

精度與偏差精度B.1.1在室溫或接近室溫條件下，導(dǎo)熱系數(shù)的測試誤差為2％-5％，熱擴(kuò)散系數(shù)的測試誤差為5％-10％；薄片樣品在高溫下測試時，導(dǎo)熱系數(shù)的測試誤差為5％-7％，熱擴(kuò)散系數(shù)的測試誤差為7％-11％。B.1.2上述不確定度的范圍是在以下條件下確定的：a）探頭絕緣層的厚度7μm-40μm；b）探頭半徑2mm-30mm；c）不同總測試時間1s-1000s下的數(shù)據(jù)采集頻次；d）不確定度計(jì)算時，包含因子k取2。注1：本標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確度分別以公式（4）、（7）、（10）為依據(jù)計(jì)算，主要取決于輸出功率、探頭半徑、薄片、薄膜或探頭厚度的測量值以及通過迭代程序擬合得出的溫升直線的斜率值。注2：本標(biāo)準(zhǔn)建立的樣品導(dǎo)熱過程的模型未包含以下實(shí)際試驗(yàn)中可能存在的初始或邊界條件：a）雙螺旋結(jié)構(gòu)探頭圈數(shù)不少于10個，否則應(yīng)采用外部等效線源進(jìn)行校準(zhǔn)。b）探頭的比熱可通過探頭尺寸和金屬薄片的厚度（10μm）和兩層絕緣層的厚度（7μm-100μm）進(jìn)行估算。例如，1個半徑6mm的探頭，在測試時間為10s，平均溫升為2K時，功率損失約為1mW。c）對于典型探頭，沿雙螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的熱損失低于1mW。d）測量薄片樣品時，需對兩樣品背面及周邊的絕熱材料的熱損失估算。例如，使用半徑為10mm的探頭對1mm厚的10W/(m·K)薄片樣品進(jìn)行測試，樣品背面用聚苯乙烯絕熱，樣品背面及周邊的功率損失約為2%。對于測試導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，測試時若采用真空泵使樣品倉處于真空狀態(tài)，可進(jìn)一步減少熱損失，提高測試精度。注3：通常情況下，最少記錄100個數(shù)據(jù)（時間、電壓）并計(jì)算溫升。為此，需分別提供三個電阻（RS、RL和R0）、探頭電阻率的溫度系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的值。串聯(lián)電阻的電阻值RS，通過與標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較確定，其他電阻的電阻值通過直接與串聯(lián)電阻相比獲得，這些測試均通過數(shù)字電壓表完成，其不確定度可忽略不計(jì)（＜0.1%）。本標(biāo)準(zhǔn)中所用探頭電阻率溫度系數(shù)的不確定度為2%（通過對探頭反復(fù)測試電阻增值與溫升的關(guān)系確定），根據(jù)公式（1）得出試驗(yàn)中溫度的精確度為2%。偏差如果試驗(yàn)是在同一溫度、探頭和儀器下重復(fù)進(jìn)行，由于計(jì)算用探頭電阻率的溫度系數(shù)、探頭半徑、輸出功率和計(jì)算時間均相同，故各次試驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果偏差均很小，約為1%-2%。注：在相同溫度下重復(fù)試驗(yàn)并使用相同探頭電阻率的溫度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時，本次測試的溫升與另一次測試的溫升的偏差可忽略不計(jì)。

（資料性附錄）

溯源與核查儀器溯源本標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法測試參數(shù)可直接溯源至基本SI國際單位制（例如溫度、時間、長度和電壓），不需要采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)，僅需要對下述參數(shù)分別溯源：——探頭最外圈線源平均直徑；——薄膜樣品和薄片樣品的厚度；——使用時間及電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對電橋回路電信號進(jìn)行采集；——探頭電阻率的溫度系數(shù)；——電橋系統(tǒng)中串聯(lián)電阻RS。同時，單軸各向異性樣品熱特性計(jì)算時所采用的體積比熱容值的準(zhǔn)確度應(yīng)大于1%。儀器核查C.2.1本標(biāo)準(zhǔn)方法用儀器應(yīng)周期性進(jìn)行核查，通過測試一個或多個標(biāo)準(zhǔn)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)來完成，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)