GBT 42919.3-2023 塑料导热系数和热扩散系数的测定 第3部分：温度波分析法

塑料导热系数和热扩散系数的测定第3部分：温度波分析法2023-08-06发布国家市场监督管理总局1本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件是GB/T42919《塑料导热系数和热扩散系数的测定》的第3部分。GB/T42919已经发——第1部分：通则；——第3部分：温度波分析法；——第4部分：激光闪光法；——第6部分：基于温度调制技术的比较法。本文件与ISO22007-3:2008相比做了下述结构调整：——第5章对应ISO22007-3:2008中的5.1～5.3;——6.8对应ISO22007-3:2008中的7.3;——8.3～8.9对应ISO22007-3:2008中的8.4～8.10;——附录B对应ISO22007-3:2008中附录D,附录D对应ISO22007-3:2008中附录B。本文件与ISO22007-3:2008的技术差异及其原因如下： 用规范性引用的GB/T2035替换了ISO472(见第3章),以适应我国的技术条件，增加可操 用规范性引用的GB/T42919.1替换了ISO22007-1(见第3章),以适应我国的技术条件，增加可操作性；——增加了温度测量装置精度至少为±0.3K的要求(见6.7);——删除了液体试样(见ISO22007-3:2008的7.1和8.3),因无法验证本文件是否适用于液体试样；——增加了进行一次平行试验的要求(见8.10);—增加了测试结果为两次重复测试结果的平均值的要求(见9.6),以明确测试结果的计算方式；——用规范性引用的GB/T27418替换了ISO/IECGuide98-3(见11.1),以适应我国的技术条——更改了重复性数据，由1%修改为5%(见11.2),依据我国实验室测得的试验结果，以适应我国的技术条件。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国石油和化学工业联合会提出。本文件由全国塑料标准化技术委员会(SAC/TC15)归口。本文件起草单位：江苏毅昌科技有限公司、中蓝晨光化工有限公司、上汽通用五菱汽车股份有限公司、中广核俊尔(浙江)新材料有限公司、厦门欧圣斯科技有限公司、威海联桥新材料科技股份有限公司、珠峰动力机械(宁德)有限公司、青岛海容商用冷链股份有限公司、东莞市事事行新材料有限公司、中华人民共和国青岛大港海关、吉林省产品质量监督检验院。lⅡ塑料的热传导性能在塑料工业和其他领域都是不可或缺的。塑料用于各种新应用领域时，如纳米技术和生物医学，需可快速执行及精确的简单小规模测试。温度波分析是一种测试薄试样热扩散系数GB/T42919《塑料导热系数和热扩散系数的测定》拟由六个部分构成。——第1部分：通则。目的在于建立导热系数和热扩散系数的测定试验方法中通用的定义和各方 第2部分：瞬态平面热源(热盘)法。目的在于为测定塑料导热系数和热扩散系数的瞬态平面——第3部分：温度波分析法。目的在于为测定塑料导热系数和热扩散系数的温度波分析法，确立 第4部分：激光闪光法。目的在于为测定塑料导热系数和热扩散系数的激光闪光法，确立可操 第5部分：聚甲基丙烯酸甲酯样品实验室间测试结果。目的在于通过多个实验室对聚甲基丙烯酸甲酯的导热系数和热扩散系数进行测定并提供试验数据。——第6部分：基于温度调制技术的比较法。目的在于为使用温度调制技术测定低导热系数的比1塑料导热系数和热扩散系数的测定第3部分：温度波分析法本文件描述了用温度波分析法测定塑料薄膜和薄片在厚度方向上热扩散系数的方法。本文件适用于各向同性或异性结构的塑料，其热扩散系数α的范围为1.0×10~°m²·s-1～1.0×本文件规定的测试能在空气或其他气体中进行，如惰性气体；能在大气压力或其他低、高压力或真2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于GB/T2035塑料术语及其定义(GB/T2035—2008,ISO472:1999,IDT)GB/T27418测量不确定度评定和表示(GB/T27418—2017,ISO/IECGuide98-3:2008,MOD)GB/T42919.1塑料导热系数和热扩散系数的测定第1部分：通则(GB/T42919.1—2023,ISO22007-1:2017,MOD)ISO80000-5量和单位第5部分：热力学(Quantitiesandunits—Part5:Thermodynamics)3术语和定义GB/T2035、GB/T42919.1和ISO80000-5界定的以及下列术语和定义适用于本文件。调制功率热源产生的温度振荡。试样前后表面温度波的相位差。4符号下列符号适用于本文件。A:相移△θ与温度波角频率w平方根关系曲线图的斜率，单位为二分之一次方秒(s¹/2)。C:单位体积热容量，单位为焦耳每立方米开尔文[J/(m³·K)]。2k:为(w/2a)¹/?的值。w:温度波角频率，单位为弧度每秒(rad/s)。we:满足kd=1的角频率，单位为弧度每秒(rad/s)。5原理温度波分析是一种测量厚度方向热扩散系数的方法，通过测量温度波在样品前后表面之间的相移个电阻作为温度传感器检测温度波。本方法涉及通过试样的温度波的相移与温度波角频率平方根函数的分析。6仪器设备仪器设备应符合第5章所述，用于测定热扩散系数，并应包括图1中的主要部件，图1为仪器设备标引序号说明：1——试样；2——加热器；3——温度传感器；4——背板；5——试样架；6——恒温外壳；7——温度计；8——温度控制器；9——功能合成器；10——电脑；11——锁定放大器；12——数字万用表；图1仪器设备示意图恒温密闭容器的温度范围应适合待测材料。恒温密闭容器应能控制温度，使试样温度在整个测试过程中变化不超过±1K。36.3加热器和温度传感器加热器位于x=0处(见图1),通过连接在试样前表面的电阻传递交流电来产生温度波。温度传感器位于x=d处(见图1),通过测量附在试样后表面的电阻的振荡来检测温度波。为了获得高灵敏度和快速响应，加热器和温度传感器宜直接溅射至试样的相对表面上，加热器和温度传感器的热容量宜忽略不计。注1:直接溅射至薄膜试样前后表面的加热器和温度传感器示例如图2a)所示。注2:在试样上溅射的加热器和温度传感器的典型尺寸为宽1mm、长5mm。使用导电膏或焊料将金属引线层溅射或连接到加热器和温度传感器上，或能将引线溅射至背板上，见图2b)。采用导电膏或焊料能提供从引线层到电缆的电触点，该电触点用于电源和测量设备的为了保持良好的热接触，宜将加热器和温度传感器直接溅射至试样的前后表面，或加热器和温度传感器也能在一定载荷下固定在试样表面。a)直接在薄膜样品的前、后表面溅射的加热器、温度传感器和引线温度传感器：W=1mm,L=5mm)b)加热器和温度传感器直接溅射至试样上，引线位于背板上mm;mm)mm;mm)温度传感器：W=1mm,L=5mm;背板：W=30标引序号说明：1——试样；2——溅射加热器(前);3——溅射温度传感器(后);4——引线；5——背板。图2加热器和温度传感器示意图46.4加热电路加热器功率应可调节，以避免样品温升超过1K。6.5测量电路通过引线层向温度传感器提供偏置电流，用于测量温度传感器电阻的振荡。使用直流电源向温度传感器提供1μA～10mA的电流。振荡频率的测量精度宜优于0.05%。应能测量温度传感器电阻的振荡(即传感器引线两端之间电压的振荡),以确定温度波在试样厚度上的相移。加热器和温度传感器之间的相移应能通过如图1所示的设置进行测量。相移测量的精度宜6.7试样温度测量装置热电偶可固定在背板上，如可能，也可连接到试样上。当已知温度传感器电阻的温度系数时，能通过测量其电阻来获得温度传感器温度，温度测量装置精度至少为±0.3K。所用背板的厚度宜超过试样的厚度。为了在相移与温度波角频率平方根的关系图中获得较宽的线性范围(见图3、附录A和附录B),背板材料与试样宜具有类似的热性能(即λk值相似)。7试样试样应为薄膜，通常厚为10μm～500μm,长、宽为10mm。对于投影面积大于加热器和温度传感器面积的试样(见图2),原则上能根据测量热扩散系数和满足kd>1或w>w.条件下所用的温度波频率[13](见附录A)来确定可靠测量的允许厚度范围。注：接受的测试所需的频率-厚度关系的实例见附录C。应使用合适的校准过的仪器测量试样厚度，如机械千分尺或光学、电子、电容或电感式测量仪。应在将试样放入试样架之前进行测量，试样厚度的变化宜小于平均厚度的1%或1μm,以较小者为准。8试验步骤8.2若试样是薄膜，则在试样的每个表面上溅射一层薄金属层，以形成加热器和温度传感器。溅射金属引线并将试样插入背板之间。8.3若加热器和传感器不能溅射至试样上，则能使用组装装置搭配机械载荷，以确保引线与加热器和温度传感器之间的良好电接触，以及加热器和温度传感器与试样之间的良好热接触。8.4将装有试样的组装装置放在恒温密闭容器中。将加热器连接到电源，温度传感器连接到相位检5GB/T42919.3—2023测器。8.5以不超过10K/min的速率将温度升高或降低至试验温度。8.6检查试样温度。如果在整个测试过程中温度传感器的电阻不是恒定的，这可能是向加热器提供的功率过大，或者恒温密闭容器内未达到热平衡的原因。在这种情况下，以较小的功率和/或等待更长的时间使恒温密闭容器达到热平衡后再重新测试。8.7闭合测量电路，在加热器中产生交流电流，并向温度传感器施加直流偏置电流。根据加热器的电阻和波频率调整加热器的电源，以将试样温升限制在1K以内。8.8使用相位检测器，如锁相放大器，并使用功能合成器输出参考信号，以固定的温度波角频率测量试样前后表面之间的温度波相位差。8.9重复8.7～8.8的步骤，进一步测量其他频率下的相移。选择至少5个使△0<—3π/4满足经验标准的频率(见图3)。图3相移Aθ与角频率平方根o¹/?关系图的示例8.10再次进行一次平行试验。8.11如果试验在一个或多个更高或更低的温度下进行，在不高于10K/min的升温或降温速率下将恒温密闭容器的温度升高或降低到下一个测试温度。在温度稳定后，再次执行8.6～8.10的步骤，以获得相移值。9结果计算与表示9.1对于给定的样品厚度和温度，热扩散率是根据相移△θ与温度波角频率w的平方根的关系曲线斜率A计算得到的[1]。9.2绘制相移与角频率平方根的函数图时，宜绘制直线图(见附录A和图3)。如果情况并非如此，则使用的角频率可能不满足本试验所需的条件。在这种情况下，在不同的频率范围内进行重复测试。9.3计算试验温度下的试样厚度，考虑热膨胀引起的厚度变化。9.4材料的热扩散系数a由公式(1)计算得出(见附录A)。………(1)6式中：a——热扩散系数，单位为平方米/秒(m²/s);A相移△θ与温度波的角频率w的平方根曲线的斜率，单位为二分之一次方秒(s¹/²);d——试样厚度，单位为米(m)。9.5检查9.4中计算是否满足w>w.的条件。如果不满足要求，则使用更高的角频率重复测试。9.6测试结果取两次试验的平均值，保留3位有效数字。10仪器校准和方法验证10.1.1温度波分析是一种绝对方法。温度波分析仪的所有参数可直接溯源到国际单位，应单独校10.1.3校准用于测量试样组件稳态温度的装置(见6.7),精度至少为±0.3K。10.1.4电源和相移测量装置的频率可根据仪器制造商的设备指南进行校准，检查电路本身的零相移。能通过测试参考样品来验证方法和仪器，宜包括待测试材料的热扩散系数范围和温度范围。验证结果的偏差应小于参考值的5%,若超过此限值，宜重新检查测试条件和/或重新校准仪器的各种参注：参考文献[4]和附录D中给出了聚酰亚胺薄膜的典型值。Pyrex7740和聚甲基丙烯酸甲酯的典型值在参考文献[5]中给出。直接溅射制备的带加热器和温度传感器的试样在室温下进行常规测量，当根据GB/T27418进行评定时，用温度波法测定热扩散系数的扩展不确定度(置信水平为95%)估计在1.0×10~'m²·s-¹<a<1.0×10-⁶m²·s-'范围内优于5%。如使用与试样接触的非溅射温度传感器，则扩展不确定度估计在5%～10%内(见附录E)。使用相同试验条件对相同试样连续测量的重复性优于5%。12试验报告试验结果应包括以下信息：a)本文件编号；b)待测材料的完整标识(类型、来源、制造厂代号和所知的历史);c)试样的形状、厚度和其他尺寸以及数量；d)所用仪器的规格；e)使用的温度传感器和加热器的类型及其形状、尺寸和电阻；f)测试条件，如温度、提供给加热器的调制功7h)每种温度的相移与角频率平方根的关系图(见图3);i)在不同试验温度下，曲线斜率A和热扩散系数α的值；k)任何其他相关项目。8(资料性)温度波分析的数学背景对厚度为d的试样建立了一维热传导模型，该试样位于半无限厚的背板之间。当在试样的前表面(x=0)产生正弦温度波时，它沿整个厚度方向传播，并在后表面(x=d)处被检测。如果温度波的振幅在背板的无限位置处衰减到零，则通过求解一维扩散方程[1-]来描述x=d时的温度振荡T(x,t),…………(A.1)T(d,t)—-x=d时的温度振荡；j₀—x=0时产生的周期性热通量，其中j=joexp(iwt),单位为瓦特每平方米(W/m²); K——(w/2a)¹/²,其中α为热扩散系数；…………(A.2)加热器和温度传感器之间的相移描述如公式(A.3):…………(A.3)相移△0是角频率w平方根的线性函数，因此试样的热扩散系数能由公式(A.4)确定9GB/T42919.3—2023(资料性)相移A0与kd和ξ函数的数值模拟相移△θ与kd和ξ函数的数值模拟见图B.1。(资料性)测试所需的频率-厚度关系示例测试所需的频率-厚度关系示例见图C.1和图C.2。1——a=1.0×10~*m²·s-¹;2——a=1.0×10~'m²·s-';3——a=1.0×10~*m²·s-'。图C.1测试所需的频率-厚度关系(对数-对数图)1——a=1.0×10-*m²·s-¹;2——a=1.0×10~'m²·s-';3——a=1.0×10~*m²·s-'。图C.2测试所需的频率-厚度关系(对数-线性图)(资料性)聚酰亚胺的典型热扩散系数数据聚酰亚胺的典型热扩散系数见表D.1。表D.1聚酰亚胺的典型热扩散系数数据T℃aT℃a0注：样品为Kapton100,厚度25μm,是可买到的市售产品，给出这一信息是为了方便本文件的使用者，并不表示(资料性)热扩散系数测试的不确定度实例室温下有机玻璃(PMMA)、聚醚砜树脂(PES)和氧化锆的热扩散系数测试的不确定度见表E.1。表E.1室温下三种材料的热扩散系数测试的不确定度材料dQ扩展不确定度%有机玻璃(PMMA)1.15×10-'聚醚砜树脂(PES)1.24×10-'2氧化锆1.08×10-6[1]MORIKAWA,J.,TAN,J.andHASHIMOTO,T.:Studyofchangeinthermaldiffusivitypolymersduringglasstransition,Polymer,36(23):4439-4443(1995).waveforFouriertransformthermalanalysis,Jpn.J.Appl.Phys.,