征求意见稿《六方氮化硼纳米片导热性能测试方法》

1T/CSTMXXXXX—202X六方氮化硼纳米片导热性能测试方法本文件规定了六方氮化硼（h-BN）纳米片粉体及其压制片材导热性能的激光闪光法测试方法。本文件适用于通过压片法制备的h-BN纳米片试样在室温至300℃范围内有效导热系数的测定。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T22588-2008闪光法测量热扩散系数或导热系数GB/T19466.3-2004塑料差示扫描量热法(DSC)第3部分：熔融和结晶温度及热焓的测定GB/T19587-2017气体吸附BET法测定固态物质比表面积GB/T30705-2014微束分析电子探针显微分析波谱法实验参数测定导则GB/T31057.1-2014颗粒材料物理性能测试第1部分：松装密度的测量GB/T31057.2-2018颗粒材料物理性能测试第2部分：振实密度的测量JJF1101-2019环境试验设备温度、湿度参数校准规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1六方氮化硼纳米片hexagonalboronnitridenanosheets;h-BNnanosheets厚度通常小于100纳米，具有六方晶体结构的二维氮化硼材料。3.2面内导热系数in-planethermalconductivity热流方向平行于六方氮化硼纳米片层平面时的导热系数。3.3跨平面导热系数cross-planethermalconductivity热流方向垂直于六方氮化硼纳米片层平面时的导热系数。3.4压片有效导热系数effectivethermalconductivityofpellet通过压片法制备的试样，在考虑孔隙率、接触热阻及纳米片取向等因素后，通过实验直接测得的导热系数。3.5相对密度relativedensityT/CAEEXXX—2026压片试样的实际体积密度与六方氮化硼理论密度（约2.25g/cm³)的比值，以百分数表示。4原理本方法基于激光闪光法（LFA）原理，通过短脉冲激光均匀加热试样正面，利用红外探测器监测试样背面温度随时间的变化曲线，通过数学模型计算试样的热扩散系数(α)。试样的导热系数(λ)通过公式（1）计算得出：式中：λ——导热系数，单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)]；α——热扩散系数，单位为平方米每秒（m²/s）；ρ——试样的体积密度，单位为千克每立方米（kg/m³);Cp——试样的定压比热容，单位为焦耳每千克开尔文[J/(kg·K)]。本方法测得的导热系数为压片状态下的有效导热系数，其值受试样相对密度、纳米片取向及接触热阻等因素影响。5试剂与材料5.1六方氮化硼纳米片试样应满足以下要求5.1.1外观应为干燥、均匀的粉末或片状材料；5.1.2无明显硬团聚，易于分散；5.1.3测试前应按7.1的规定进行预处理。5.2粘结剂（若使用）应符合以下要求5.2.1纯度应不低于分析纯；5.2.2对h-BN纳米片导热性能的影响应尽可能小；5.2.3宜选用硬脂酸、聚乙烯醇（PVA）等材料；5.2.4若为挥发性粘结剂，应在压片后能完全去除；5.2.5添加的质量分数不宜超过3%。5.3表面涂层材料应符合以下要求5.3.1用于提高试样表面对激光的吸收率和红外发射率；5.3.2应具有高纯度、高热稳定性及良好的附着性；5.3.3宜选用高纯度石墨喷剂、金（Au）或铂（Pt）涂层材料；5.3.4涂层应均匀、极薄，避免引入额外的热阻。5.4试验用水应为蒸馏水或去离子水，其电导率应不大于5μS/cm。5.5标准参考物质应用于仪器校准，应使用经认证的、热物性参数已知的材料，如Pyroceram9606、不锈钢等。T/CSTMXXXXX—202X6仪器设备6.1激光闪光导热仪应符合GB/T22588-2008和JJF1101-2019的要求。6.2压片机应具备压力显示与保压功能，模具内径宜为10mm或12.7mm。6.3密度测试可采用阿基米德排水法或几何尺寸测量法，测量精度应优于1%。6.4差示扫描量热仪（DSC）应符合GB/T19466.3-2004的要求。6.5测厚仪或千分尺的分辨力应不低于1μm。6.6真空干燥箱真空度应能达到10Pa以下。6.7分析天平分度值应不大于0.1mg。7试样制备7.1样品预处理样品应在真空干燥箱中进行预处理。干燥条件应符合以下要求：b)时间：不少于4h；c)真空度：不高于10Pa。7.2称量使用分析天平称取适量的h-BN纳米片粉末，称量结果应精确至0.1mg。7.3压片成型将称量后的粉末装入洁净的压片模具中，置于压片机上进行压制。加压过程应符合以下要求：a)加压速率：不大于5MPa/min；b)目标压力：根据测试需求设定（推荐值为10MPa、20MPa或30MPa）；c)保压时间：达到目标压力后，保压时间不少于60s。7.4脱模要求脱模操作应谨慎进行，确保制得的样片完整，且表面及内部无可见裂纹。T/CAEEXXX—20267.5粘结剂使用若因样品成型困难需添加粘结剂，应符合以下规定：a)添加量：粘结剂的质量分数应不大于3%；b)记录要求：必须在测试报告中注明所添加粘结剂的种类及具体含量。7.6尺寸测量试样的直径与厚度应使用测厚仪或千分尺进行测量。a)测量点数：厚度测量点应不少于3点（建议在不同方位选取）；b)数据取值：最终尺寸取各测量点的算术平均值。7.7表面处理试样双面应均匀喷涂极薄石墨层，以增强吸光率并减少辐射热损失。7.8密度计算应根据7.6测得的几何尺寸（直径、厚度）及7.2测得的质量，按公式(1)计算试样的体积密度。8试验步骤8.1仪器校准8.1.1激光闪光导热仪的校准应按GB/T22588-2008和JJF1101-2019的规定进行。8.1.2校准应使用经认证的标准参考物质，其热扩散系数和导热系数已知且稳定。8.1.3标准参考物质的厚度应与待测试样厚度相近，推荐使用Pyroceram9606、不锈钢或纯铜。8.1.4校准应在测试前及仪器状态发生变化时进行，并记录校准结果。8.2比热容测定8.2.1比热容（Cp）的测定应优先采用差示扫描量热仪（DSC按GB/T19466.3-2004的规定进行。8.2.2用于DSC测试的样品应与导热测试样品为同批次材料，且预处理条件一致。8.2.3测试温度范围应覆盖导热系数测试的目标温度。8.2.4若使用文献比热容值，应满足以下要求：a)引用的文献数据应来源于权威出版物；b)应明确数据对应的温度点，并进行必要的温度插值或修正；c)应在测试报告中显著标注数据来源，并评估由此引入的不确定度。8.3热扩散系数测定8.3.1热扩散系数(α)的测定应按GB/T22588-2008的规定进行。8.3.2装样前，应确保试样双面涂层均匀，且试样表面清洁、无污染。8.3.3装样时，应将试样平稳放置于样品支架中心，确保试样与支架接触良好，无倾斜或松动。8.3.4激光束应完全覆盖试样正面，避免边缘加热效应。8.4测试参数设置8.4.1激光脉冲宽度应根据试样厚度和热扩散系数设置，以确保产生可检测的温升且满足一维热流模型。T/CSTMXXXXX—202X8.4.2激光电压或能量应设置适当，使试样背面温升在仪器线性响应范围内，通常为1K至3K。8.4.3测试环境温度或目标温度应精确控制，波动范围不应超过±0.5℃。8.4.4测试气氛宜为惰性气体（如氩气）或真空，以避免试样氧化或对流热损失。8.5测试过程8.5.1每个试样应在相同的测试条件下至少进行3次独立、有效的测试。8.5.2每次测试后，应检查试样位置是否移动，必要时重新装样。8.5.3若连续3次测试结果的标准偏差超过5%，应查找原因并增加测试次数。8.6数据采集与检查8.6.1应采集并保存完整的试样背面温度随时间变化的原始曲线。8.6.2应对每条升温曲线进行质量检查，包括：a)信噪比应足够高，曲线平滑；b)半峰时间应在合理范围内，与试样厚度和热扩散系数预期值相符；c)曲线形状应符合理论模型，无明显畸变或异常波动。8.6.3不合格的测试数据应予以剔除，并重新测试。9计算结果与数据处理9.1导热系数计算9.1.1试样的导热系数(λ)应按4中给出的公式（1）进行计算。9.1.2公式（1）中所需的参数应按以下方式获取：a)热扩散系数(α)取8.3测定结果c)比热容（Cp）取8.2测定值或经评估的文献值。9.2结果表述9.2.1报告的结果应为“压片有效导热系数”，并明确标注测试温度。9.2.2报告中必须同时给出该结果对应的试样相对密度（按3.5计算）。9.2.3严禁在未说明制样条件和孔隙率影响的情况下，将有效导热系数直接称为材料的本征导热系9.3孔隙率修正（可选）9.3.1若需估算材料的本征导热系数，可对有效导热系数进行孔隙率修正。9.3.2修正可参考附录A中给出的Maxwell-Eucken等模型。9.3.3采用任何修正模型时，应在报告中详细说明以下内容：a)所用模型的名称及公式；b)模型中的所有参数取值及依据；c)修正前后的导热系数值；d)修正引入的不确定度评估。T/CAEEXXX—20269.4数据统计处理9.4.1同一试样在相同条件下多次测试得到的热扩散系数、比热容及计算出的导热系数，应分别计算其算术平均值和标准偏差。9.4.2最终报告的有效导热系数应为至少3次有效测试计算值的平均值。9.5异常值检验与剔除9.5.1应对一组测试数据中的可疑异常值进行检验。9.5.2检验可依据格拉布斯（Grubbs）准则进行，显著性水平(α)可取0.05。9.5.3被判定为异常值的数据点应予以剔除，剔除后剩余的有效测试次数不应少于3次。9.6精密度要求9.6.1在同一实验室内，由同一操作者使用相同设备，在短时间间隔内对同一试样进行重复测试。9.6.2重复测试所得有效导热系数结果的相对标准偏差（RSD）应不大于5%。9.7不确定度评估9.7.1应对报告的有效导热系数结果进行测量不确定度评估。9.7.2不确定度来源应包括但不限于：a)热扩散系数测量的重复性；b)比热容值的不确定度（实测误差或文献值偏差）；c)试样厚度和直径的测量误差；d)试样密度的测量误差；e)仪器校准的不确定度。9.7.3应给出扩展不确定度及其包含因子（通常k=2）。10测试报告测试报告应至少包含以下内容，并宜参考附录B给出的格式：10.1样品基本信息报告应明确记载样品的来源、批号（或生产编号）以及预处理方式（包括干燥温度、时间及真空度10.2关键工艺参数报告应详细记录试样制备过程中的关键工艺参数，包括：a)压制压力（单位：MPa）；b)保压时间（单位：s）；c)若使用粘结剂，应注明其种类及质量分数含量。10.3样品几何与密度参数报告应列出试样的几何尺寸及密度数据，包括：d)平均厚度（单位：mm）；e)平均直径（单位：mm）；T/CSTMXXXXX—202X7g)相对密度（%）。10.4测试环境与方法条件报告应说明导热性能测试时的具体条件，包括：h)测试温度（单位：℃或K）；i)测试气氛（如：氩气、氮气、真空等）；j)激光脉冲参数（如：脉冲宽度、电压等，若仪器自动设定可注明“自动”）。10.5比热容数据说明报告应明确比热容（Cp）数据的来源及可靠性评估：k)数据来源：注明是“实测”还是“引用文献”；l)若为实测，应简述测试方法及条件；m)若为文献值，应注明文献出处、适用温度范围及引入的不确定度评估。10.6测试结果报告应给出最终的测试计算结果，包括：n)热扩散系数：(α,单位：mm²）；）；p)有效导热系数(λeff，单位：W/(m·K)）。10.7不确定评估报告应包含对最终测试结果（特别是有效导热系数）的不确定度评估说明，涵盖测量重复性、仪器精度及参数输入误差等主要分量。10.8结果声明报告必须在显著位置包含以下声明：“本测试结果代表在特定压制工艺（压力、密度）下的有效导热系数，受孔隙率及接触热阻影响，非材料本征导热系数。”10.9报告格式测试报告的排版与格式可参照本标准附录B（资料性附录）提供的模板执行。T/CAEEXXX—2026（资料性）h-BN纳米片导热性能参考信息A.1本征导热系数参考范围A.1.1六方氮化硼纳米片的本征导热系数受层数、缺陷密度、晶格完整性及测试温度影响显著。A.1.2少层h-BN纳米片（通常指层数小于10层）的面内本征导热系数理论值及实验报道值范围较宽，A.1.3多层h-BN纳米片（层数较多）或块体h-BN晶体的面内导热系数理论值及典型实验值范围约为A.1.4h-BN的跨平面（垂直于片层方向）导热系数显著低于面内方向，通常低1至2个数量级，典型值范围约为2W/(m·K)至30W/(m·K)。A.2孔隙率修正模型A.2.1通过压片法测得的有效导热系数(λ_eff）通常低于材料的本征导热系数(λ_s主要受A.2.2为估算本征导热系数或比较不同孔隙率试样的性能，可采用孔隙率修正模型。常用模型如下：a)Maxwell-Eucken模型：适用于球形孔隙随机分布在连续基体中的情况。其公式见式（A.1式中：λ_eff——有效导热系数，单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)]；λ_s——固体相（无孔隙）的本征导热系数，单位为瓦每米开尔文[W/(m·K)]；φ——孔隙率（体积分数），量纲为一；β——形状因子，与孔隙形状有关，