GB-T 3139-2026《纤维增强塑料导热系数试验方法》

1纤维增强塑料导热系数试验方法本文件描述了护热板法(方法A)、保护热流计法(方法B)和闪光法(方法C)测定纤维增强塑料导热系数的原理、试样、试验仪器、试验条件、试验步骤、结果计算和试验报告。本文件适用于测定纤维增强塑料的导热系数，其他结构形式的复合材料参照使用。护热板法(方法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)适用于本文件。3术语和定义热流量heatflowrate单位时间内通过给定面积的热量。热流量密度densityofheatflowrate单位面积的热流量(3.1)。导热系数thermalconductivity单位温度梯度下的热流量密度(3.2)。平均温度meantemperature在稳态传热条件下(即材料内部的温度分布不随时间变化),试样的高温面温度和低温面温度的算术平均值。热阻thermalresistance在稳态传热条件下，与热流方向垂直的两表面温度差除以热流量密度(3.2)。4护热板法(方法A)护热板法(方法A)是在稳态传热条件下，单向热流垂直流过板状试样；通过测量在给定传热面积的2一维恒定热流量，以及试样冷热表面的温度差，可计算出试样的导热系数。4.2.1试样制备按GB/T1446的规定。4.2.2试样尺寸规定如下：a)试样可为正方形或圆形，试样边长或直径应与加热板(见图2中a或Do)相等，单试样设备试样边长或直径宜为100mm,双试样设备试样边长或直径宜为300mm,尺寸误差不宜大于±0.6mm;b)试样厚度至少为5mm;最大宜不超过其边长或直径的1/10。4.2.4每组试样不少于3块。4.3.1试样设备护热板法(方法A)导热系数测试仪一般分为两种类型，分别为单试样设备和双试样设备。双试样设备中，两个相同的试样位于加热板的上下两个表面，如图1b)所示。a)单试样设备b)双试样设备标引序号说明：1——冷却板；3——主加热板；5——护加热板；7——底加热板。图1护热板法(方法A)试验设备示意图4.3.2加热板4.3.2.1加热板由主加热板和包围主加热板并有一定间隙的护加热板组成，各加热板具有独立的加热器和表面板。34.3.2.2护加热板的宽度为加热板保证导热系数测量值的误差在8%以内。4.3.2.5主加热板和护加热板之a)表面为正方形的加热板b)表面为圆形的加热板标引序号说明：1——护加热板；a—-正方形加热板的边长；D₀——圆形加热板的直径。图2护加热板与加热板尺寸关系示意图4.3.4温度和功率测量精度4.3.4.1温度测量应精确到稳态传热条件下试样两面温度差的1%,不大于0.5℃。4.4试验条件4.4.2试样温度差试样冷热面温度差宜不小于10℃。4.5试验步骤44.5.3在试样的中心、边缘等部位测量不少于5处试样厚度，取算术平均值，精确至0.01mm。4.5.4打开测试腔体，单试样设备中，将单个试样安装在加热板的上表面，双试样设备中，将两个试样分别安装在加热板的上下两个表面。安装试样时注意通过左右移动来消除夹杂空气，并对试样施加一定的压力，同时检查好试样与加热板表面的对齐情况。4.5.5启动试验设备，调节主加热板、护加热板以及底加热板的温度。当主加热板与护加热板以及主加热板与底加热板之间的温度差不超过0.5℃,且主加热板、护加热板以及底加热板的温度波动不超过0.5℃,持续时间不少于10min时，即达到平衡，记录此时主加热板、护加热板以及底加热板的温度，将试样在此温度下保持恒定。4.5.6在主加热板功率不变的情况下，当试样的表面温度波动不大于试样两面温度差的1%,且不超过0.5℃,持续时间不少于30min时即达到稳态传热条件，记录此时主加热板功率和试样两面的温度，当前试验结束。4.6结果计算4.6.1单试样设备的导热系数计算单试样设备的导热系数按公式(1)计算，取3位有效数字。式中：λ——导热系数，单位为瓦特每米开尔文[W/(m·K)];φ———主加热板稳态传热条件下的功率，单位为瓦特(W);d—试样厚度，单位为米(m);A—设备的计算面积，即主加热板面积与主加热板和护加热板之间环形间隙的1/2面积之和，单位为平方米(m²);T₁——试样高温面的温度，单位为摄氏度(℃);T₂——试样低温面的温度，单位为摄氏度(℃)。计算每个试样的导热系数，取算术平均值。4.6.2双试样设备的导热系数计算双试样设备的导热系数按公式(2)计算，取3位有效数字。式中：d——双试样的平均厚度，单位为米(m)。计算每组试样的导热系数，取算术平均值。5保护热流计法(方法B)5.1原理保护热流计法(方法B)是在稳态传热条件下，近似一维恒定热流垂直流过圆片状试样上下两表面；测量通过该圆片状试样的热流量，以及上下表面的温度差，可计算出试样的导热系数和热阻。55.2.1试样形状和尺寸要求见图3和表1,有效试样数量宜不少于3个。推荐试样直径为50.8mm。图3保护热流计法(方法B)试样形状表1保护热流计法(方法B)试样尺寸单位为毫米Dd5.2.3试样与上、下均温板具有相同形状和表面积，厚度宜依据所选热流传感器的适用热阻范围，通过预估试样的导热系数选择合适的厚度。5.3试验仪器测试腔体的结构如图4所示，图4中加压的主体部分采用热流自上而下的垂直结构(上加热板温度Ts高于下加热板温度T₆),加压是为保证试样与上、下均温板之间良好热接触，推荐压力为0.138MPa。此外，测试腔体还宜满足以下要求：a)测试腔体表面没有通孔，对必要的通孔采取热密封措施，以避免外部环境气流的影响；b)上加热板和下加热板结构相似，内嵌的加热丝和温度传感器构成闭环控温回路，可将上下加热板控制在设定温度并达到热平衡状态；c)上均温板和下均温板结构相似，均由高导热材料(如纯铜)制成，并将温度传感器嵌入与试样接触表面的中心位置；e)下加热板和热沉之间有隔热垫板，热沉采用内部可通恒温冷却介质的金属夹套；f)主体部分置于径向护热炉中心位置，二者同轴且间隙不大于3mm。径向护热炉内部有加热丝和温度传感器，可控制径向护热炉的温度T₇。5.3.2试验仪器的标定a)试验仪器初次使用前；6b)用标准试样对试验仪器进行校验，测试误差超出允许范围时。标引符号说明：4——试样；5—-下均温板；6——热流传感器；7——下加热板；9——热沉；10——径向护热炉；P——加压。图4保护热流计法(方法B)测试腔体结构示意图5.4试验步骤5.4.1在试样的中心及四周相对均布的5个部位分别进行厚度测量，取算术平均值，精确到0.01mm。5.4.4关闭测试腔体。5.4.5对于每一待测温度均应调整上加热板温度T₃和下加热板温度T₆,使上、下均温板的平均值尽量接近待测温度。板和下均温板的温度差不应小于3℃。试样的热阻按公式(3)计算，取3位有效数字。其中N和R。可通过对相邻标定温度下的N和R。进行线性插值确定(标定方法见附录B)。7式中：Rs——热阻，单位为平方米开尔文每瓦特(m²·K/W);N——热流传感器转换系数，单位为平方米开尔文每瓦特(m²·K/W);T₄——上均温板温度，单位为摄氏度(℃);T₅——下均温板温度，单位为摄氏度(℃);T₆——下加热板温度，单位为摄氏度(℃);R。——试样与上、下均温板间的接触热阻，单位为平方米开尔文每瓦特(m²·K/W);试样在T₄和T₃平均温度下的导热系数λ按照公式(4)计算，取3位有效数字。式中：λ——平均温度下的导热系数，单位为瓦特每米开尔文[W/(m·K)];d——试样厚度，单位为米(m)。计算每个试样的导热系数，取算术平均值。6闪光法(方法C)闪光法(方法C)是依据非稳态热传导原理，使圆片状试样受高强度短时能量脉冲辐射，试样吸收脉冲能量使背面温度升高，记录试样背面温度的变化，获得脉冲开始照射到试样正面至试样背面温度升至最大温升一半的所需时间(即半升温时间t₁/2),计算出试样的热扩散系数，进而结合试样的体密度和比热容计算得到其导热系数。6.2.1试样形状、尺寸及数量6.2.1.1试样推荐为薄的圆片状，试样直径应不大于激光束斑尺寸，推荐为12.7mm。试样厚度宜满足背面温度达到最高温度所需时间在40ms～200ms之内，推荐试样厚度为0.5mm～6mm。6.2.1.2试样尺寸如图5所示，试样中纤维方向需满足公式(5)。D——试样直径，单位为毫米(mm);d——试样厚度，单位为毫米(mm);θ——试样中纤维方向与Z向夹角，单位为度(°)。图5闪光法(方法C)试样形状及尺寸示意图86.2.1.3所制备的试样表面应平整，且平行度误差应小于试样厚度的1%,表面不准许有目测缺陷(如6.2.2试样制备6.2.2.1测试复合材料层板厚度方向导热系数时，可直接加工得到满足6.2.1.1和6.2.1.3要求的试样。6.2.2.2测试复合材料层板面内某一方向导热系数时，需根据导热系数的目标测试方向通过转置拼接方法制备试样，如图6所示。具体要求如下：a)设定测试方向与0°纤维方向夹角为θ,将复合材料层板沿平面内与纤维成(90-θ)角度方向切割为等规格的样条，样条宽度应比试样厚度大0.5mm,即≥(d+0.5)mm;b)将样条翻转90°,并使用环氧类胶黏剂(玻璃化转变温度较导热性能测试温度高10℃以上)将多根样条拼接得到边长大于6.2.1.1直径要求的方形拼接板材，且拼接时样条侧面施加不小于0.1MPa的压力；c)将拼接板材加工得到满足6.2.1.2和6.2.1.3要求的测试试样。图6连续纤维增强的单向复合材料0°方向试样的制备示意图6.4试验步骤6.4.1在试样的中心及边缘等相对均布的3个部位分别进行厚度测量，取算术平均值，精确至6.4.2对于半透明或透明材料以及高反射率试样，可在其表面喷涂一层不透明涂层材料(如石墨层),并确保测试过程中该涂层不破裂、不脱落，且喷涂前后试样厚度变化可忽略。6.4.3将待测试样装入试样支架中，保证试样方向与脉冲激光同轴，脉冲光源覆盖试样，温度探测器与试样背面中心同轴。6.4.7设置试验温度，并使试样温度达到平衡。6.4.8开启脉冲光源照射试样，采用温度探测器测量和记录脉冲作用前后试样背面温度随时间的变化，获取试样背面温升-时间曲线(见图7)。9图7试样背面温升-时间曲线6.4.9对于同一试样相同测试温度下重复试验步骤6.4.5～6.4.8,测试至少3次。6.5结果计算6.5.1热扩散系数依据试验获得的试样背面温升-时间曲线，首先确定温度基线和最大温升，得出温度变化△Tmax,进而确定半升温时间t₁/2,按公式(6)计算试样的热扩散系数α,取3位有效数字。可依据GB/T22588进行热损和有限脉冲时间修正。α=0.13879·d²/t1/2式中：a——热扩散系数，单位为平方米每秒(m²/s);d——试样厚度，单位为米(m);t1/2——半升温时间，单位为秒(s)。计算每个试样的热扩散系数，取算术平均值。6.5.2导热系数试样导热系数按公式(7)计算，取3位有效数字。λ=α·p·Cp式中：λ——导热系数，单位为瓦特每米开尔文[W/(m·K)];a——热扩散系数，单位为平方米每秒(m²/s);p——体密度，推荐按GB/T1463测定，单位为千克每立方米(kg/m³);Cp——比热容，推荐按GB/T19466.4测定，单位为焦耳每千克开尔文[J/(kg·K)]。计算每个试样的导热系数，取算术平均值。7试验报告7.1护热板法(方法A)试验报告a)本文件编号和方法编号；c)试验设备的型号和类型；d)试验平均温度和温差；e)每个试样的测试值及其算术平均值；f)试验人员、日期及其他。7.2保护热流计法(方法B)试验报告a)本文件编号和方法编号；b)试样编号、数量；c)试验仪器的型号；d)试样的平均温度和温差；e)每个试样的测试值及其算术平均值；f)试验人员、日期及其他。7.3闪光法(方法C)试验报告a)本文件编号和方法编号；b)试样编号、形状、尺寸、数量，以及导热系数沿复合材料的测试方向；c)试验仪器的型号；d)试验温度；f)每个试样的热扩散系数、导热系数及其算术平均值；g)试验人员、日期及其他。(资料性)典型试样导热系数试验方法与试验结果示例典型试样导热系数试验方法与试验结果示例见表A.1,供操作人员选用方法时进行参考。表A.1典型试样导热系数试验方法与试验结果示例℃(方法A)中密度玻璃钢陶瓷瓦(方法B)中密度玻璃钢闪光法(方法C)中间相沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料(准各向同性层板面内0°)中间相沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料(准各向同性层板厚度方向)中间相沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料(单向层板面内0°方向)(准各向同性层板面内0°方向)(单向层板面内0°方向)(资料性)保护热流计法(方法B)试验仪器标定方法B.1标定准备B.1.1确定压力和待标定平均温度，对于常见纤维增强塑料复合材料，推荐压力为0.138MPa,上加热板和下加热板间的温度差可设定为(30±2)℃。选取的平均温度标定点宜不少于3个，且能够覆盖试样的待测温度。B.1.2至少选取三个具有不同热阻且在标定温度下都能够覆盖试样热阻的标准试样。B.1.3推荐采用聚酰亚胺或不锈钢制备标准试样。B.2标定步骤B.2.1测量标准试样的厚度，精确至0.01mm。B.2.2在标准试样上、下表面涂一薄层导热良好物质(如导热硅脂)以减小邻近界面的接触热阻。B.2.3将标准试样放在上、下均温板之间并使三者同轴，并施加恒定压力。B.2.4关闭测试腔体。B.2.5打开加热电源开始加热，通过恒温冷却介质控制水冷夹套温度，按照待标定温度由低到高的顺序进行标定试验。B