ISO 22007-22022 塑料.导热率和热扩散率的测定.第2部分瞬态平面热源（热盘）法标准立项发展报告

塑料导热率和热扩散率的测定第2部分：瞬态平面热源（热盘）法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Plastics—Determinationofthermalconductivityandthermaldiffusivity—Part2:Transientplaneheatsource(hotdisc)method摘要随着高分子材料在电子电器、航空航天、新能源汽车、5G通信等领域的广泛应用，材料导热性能的准确表征已成为材料研发、质量控制和工程选材的关键技术需求。导热率和热扩散率作为评价材料热管理性能的核心热物性参数，其测试方法的标准化与统一性直接影响着跨区域、跨行业的数据可比性与技术交流效率。ISO22007-2:2022《塑料导热率和热扩散率的测定第2部分：瞬态平面热源（热盘）法》由国际标准化组织（ISO）发布，规定了采用瞬态平面热源（热盘）技术测定塑料材料导热率和热扩散率的测试原理、仪器要求、试样制备、测试程序及数据处理方法。该标准基于热盘传感器同时作为加热源和温度检测元件的技术特点，实现了对材料导热系数和热扩散系数的同步、快速、高精度测量，适用于均质固体塑料材料在室温附近的热物性表征。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术原理、核心内容、主要参与单位及未来发展趋势，旨在为国内相关标准化工作者、材料测试技术人员及科研人员提供参考，并为我国在该领域的标准转化与自主创新提供借鉴。关键词：塑料；导热率；热扩散率；瞬态平面热源法；热盘法；国际标准；热物性测试Keywords:Plastics;Thermalconductivity;Thermaldiffusivity;Transientplaneheatsourcemethod;Hotdiscmethod;Internationalstandard;Thermophysicalpropertytesting1引言1.1标准立项背景与意义热管理已成为现代工业和尖端科技领域的核心课题之一。随着电子器件集成度与功率密度的持续攀升，以及新能源汽车动力电池、5G通信基站、LED照明器件等对散热性能要求的不断提高，高分子材料作为绝缘、密封、结构支撑等关键角色，其导热性能直接关系到终端产品的可靠性、寿命与安全性。与此同时，导热高分子复合材料作为一类新兴功能材料，在热界面材料、电子封装、热交换器件等领域的应用快速增长，对导热率与热扩散率的精确测定提出了迫切需求。在ISO22007系列标准发布之前，塑料导热性能的测试方法分散于各国标准体系中，测试原理各异（如稳态热流法、激光闪射法等），不同方法测得的数据之间存在显著偏差，严重制约了国际间的技术交流与贸易往来。瞬态平面热源法（TransientPlaneSource,TPS）以其测量时间短、精度高、可同时获得导热率和热扩散率、对试样尺寸要求相对宽松等优点，在学术界和工业界获得了广泛应用，亟需通过国际标准的形式加以规范化。1.2标准基本信息ISO22007-2:2022由国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）于2022年6月15日正式发布，是ISO22007《塑料导热率和热扩散率的测定》系列标准的第2部分。该标准替代了2008年发布的ISO22007-2:2008版本，体现了国际社会在瞬态平面热源法测试技术领域十余年来的技术进步与经验积累。该标准的正式名称及编号信息如下：-标准编号：ISO22007-2:2022-英文名称：Plastics—Determinationofthermalconductivityandthermaldiffusivity—Part2:Transientplaneheatsource(hotdisc)method-中文名称：塑料导热率和热扩散率的测定第2部分：瞬态平面热源（热盘）法-标准状态：现行有效-发布机构：国际标准化组织（ISO）-ICS分类号：83.080.01（塑料综合）-发布日期：2022年6月15日-发布年份：2022年-标准国别：国际组织-语言版本：英语（另有法语版本）2瞬态平面热源法技术原理与优势2.1技术原理概述瞬态平面热源法（TPS法），亦称热盘法（HotDiscmethod），其核心测量元件是一个薄片状平面螺旋形传感器，通常由金属镍制成的双螺旋结构夹在两层聚酰亚胺（Kapton）或云母薄膜之间构成。该传感器在测试过程中同时扮演两个角色：一是作为热源，通过恒定电流产生焦耳热；二是作为温度传感器，利用金属电阻随温度变化的特性实时监测传感器表面的平均温度响应。测试时，将平面热源传感器夹在两块待测样品之间，确保传感器与样品表面良好热接触。接通恒定电流后，传感器产生的热量向两侧样品中传导，引起传感器温度随时间上升。通过记录传感器电阻变化从而换算得到温度—时间曲线，基于无限大介质中平面热源的热传导理论模型，对实验数据进行拟合计算，即可同时获得被测材料的导热率（λ）和热扩散率（α）。2.2数学模型核心公式瞬态平面热源法的理论基础为无限大介质内有限尺寸平面热源的瞬态热传导方程的解。传感器的温升ΔT与时间t的关系可由下式表达：\[\DeltaT(\tau)=\frac{P_0}{\pi^{3/2}\cdota\cdot\lambda}\cdotD(\tau)\]其中，\(P_0\)为加热功率，\(a\)为传感器半径，\(\lambda\)为材料导热率，\(D(\tau)\)为无量纲时间函数，其表达式为：\[D(\tau)=\iint_0^1\frac{d\sigmad\sigma'}{\sigma+\sigma'}\cdot\exp\left[-\frac{(\sigma^2+\sigma'^2)}{4\tau^2}\right]\cdotI_0\left(\frac{\sigma\cdot\sigma'}{2\tau^2}\right)\]式中，\(\tau=\sqrt{\alpha\cdott/a^2}\)为无量纲特征时间参数，\(\alpha\)为热扩散率，\(t\)为测试时间，\(I_0\)为第一类零阶修正贝塞尔函数。通过非线性最小二乘拟合方法，将实测温升曲线与理论模型进行最佳匹配，可以同步确定导热率与热扩散率两个参数。需要注意的是，由于上述数学表达式在求解过程中涉及反问题拟合，存在特征时间参数与测试时间窗口的匹配性要求，因此该方法的有效测量范围受到传感器几何尺寸、样品最小厚度以及测试时长等因素的约束。2.3技术优势分析瞬态平面热源法相较于传统的稳态法（如热流计法、防护热板法）和其他瞬态法（如热线法、激光闪射法），具有以下突出技术优势：1.同步测量：一次测试可同时获得导热率和热扩散率两个参数，并可由此计算出体积比热容（\(\rhoc_p=\lambda/\alpha\)），测试效率高。2.测量时间短：典型测试时间仅为5~20秒，大幅降低了测试过程中的热漂移和环境影响，尤其适合对热稳定性较差的材料进行测量。3.接触热阻影响小：由于采用瞬态测量原理，传感器自身热容极小，接触热阻对测量结果的影响远小于稳态法。4.适用性好：对试样尺寸和形状要求较为宽松，无需对样品进行特殊加工（如粉末样品需压片处理，固体样品仅需两面平整），测试操作便捷。5.测量精度高：在良好标定条件下，导热率测量不确定度可控制在±3%以内，热扩散率的不确定度约为±5%。6.测试范围宽：导热率测量范围通常为0.01~500W/(m·K)，可覆盖从保温隔热材料到高导热复合材料的广泛需求。3ISO22007-2:2022标准主要内容3.1标准适用范围ISO22007-2:2022规定了使用瞬态平面热源（热盘）法测定塑料材料导热率和热扩散率的测试方法。该标准主要适用于：-均质、各向同性的固体塑料材料；-导热率大致在0.01~20W/(m·K)范围内的塑料及塑料基复合材料；-室温附近的测试条件（通常为23°C±2°C，也可根据需要扩展至其他温度范围）。对于各向异性材料，该标准也提供了相应指导：通过将传感器置于不同取向的试样之间进行测量，可以分别获得不同方向上的导热性能数据。但需注意，对于各向异性比过大的材料，标准要求在报告中明确注明测量方向和各向异性特征。3.2测试原理与设备要求标准详细规定了测试设备的组成和技术要求，主要包括以下几个核心组件：1.热盘传感器：由金属箔（通常为镍）制成的平面螺旋结构，夹在电绝缘薄膜层之间。传感器必须满足以下要求：电阻温度系数已知且稳定，在工作温度范围内具有线性电阻—温度关系；传感器几何参数（螺旋外径、线宽、间距等）经过精确标定；在测试过程中传感器电阻变化能够被精确记录。2.恒流电源：提供稳定且精确可调的直流电流，电流稳定度通常要求优于±0.1%。3.电阻测量系统：能够实时采集传感器的电阻变化，采样频率通常不低于每秒100点，电阻分辨率应达到微欧量级。4.数据采集与处理系统：配备专用软件，实现温度—时间数据的自动采集、存储和理论模型拟合计算。5.试样夹持装置：确保试样与传感器之间保持稳定的接触压力，同时尽量减少热损失。3.3试样制备要求标准对试样制备提出了明确的技术要求：-试样几何尺寸：试样应具有足够的尺寸以保证在测量时间窗口内满足“无限大介质”假设条件，通常要求试样在传感器平面的投影方向上的厚度不小于传感器的热穿透深度，该深度与热扩散率和测量时间的乘积的平方根相关。具体而言，样品在任一方向上的最小尺寸应满足\(r_{min}>2\sqrt{\alpha\cdott_{max}}\)（此处α为热扩散率，t_max为最大测试时间）。标准规定，样品的横向尺寸（直径或边长）通常应不小于传感器直径的两倍，厚度应不小于传感器直径的0.5倍，以确保边界效应对测量结果的影响可以忽略。-表面质量：试样的两个测量面应平整光滑，平整度误差不应超过0.025mm/50mm，以确保与传感器之间形成良好的热接触。如果试样表面不符合平整度要求，可采用细砂纸轻轻打磨。对于表面粗糙度较高的材料，标准建议使用薄层导热硅脂或导热膏改善接触条件，但在报告中应注明所使用的界面材料及其可能引入的测量偏差。-样品数量：标准要求至少测试三个试样（或三个不同的传感器—试样接触配置），以获得统计意义上的可靠结果。-状态调节：试样应在标准大气条件下（23°C±2°C，相对湿度50%±10%）进行至少24小时的状态调节，然后在相同的环境条件下进行测试。-样品性质匹配：值得特别指出的是，标准规定两个试样应尽可能具有相同的物理化学性质。通常，两个试样应从同一块板材或同一批材料中截取。然而，多数商业化热盘测试系统为开放式结构设计，仅需一块尺寸足够大的平板样品，将传感器放置于样品的一个平面上即可完成测试，此时不要求两块完全相同的试样。3.4测试程序标准详细的测试程序包括以下关键步骤：1.参数设定：根据被测材料的预估导热率和热扩散率，设定合适的加热功率和测量时间。加热功率的选择标准是使传感器温升控制在2~5K范围内，以避免因温升过大引起的热物性变化及自然对流干扰；测量时间则根据热穿透深度要求确定，通常为5~20秒。2.热平衡：在正式测量前，需等待传感器和试样体系达到热平衡状态，通常监测传感器电阻的基线漂移水平，确保温度漂移速率低于设定阈值后方可开始测试。3.温度采集：加热开始后，系统按设定采样频率记录传感器电阻随时间的变化数据，并将电阻数据转换为温度数据。4.数据拟合：利用专用分析软件，将实测温升数据与瞬态平面热源理论模型进行非线性拟合，求解导热率λ和热扩散率α。拟合过程中还会得到一个表征数据质量的偏差系数，用于判断测试数据与理论模型的吻合程度。5.结果验证：标准要求对拟合结果进行合理性检验，包括：特征时间参数τ是否处于有效拟合区间（通常要求τ值处于0.2~1.0之间）；拟合残差是否具有随机性分布特征；以及多次重复测量的结果是否具有良好的一致性。3.5测量不确定度与数据处理ISO22007-2:2022依据GUM（测量不确定度表示指南）评估测量不确定度的主要来源，包括：-传感器标定误差（几何尺寸、电阻温度系数、温度系数非线性）；-加热功率的设定与测量误差；-温度测量的系统偏差与随机误差；-试样与传感器之间的接触热阻变化；-试样尺寸及有限尺寸效应引起的偏差；-数据拟合过程中的数值误差。标准建议在报告中提供包含不确定度信息的完整测量结果，并明确了测量结果的表达格式。报告还应记录所有与测试相关的关键参数，如加热功率、测量时间、环境温度和湿度、试样状态调节条件等。4主要参与制定单位介绍ISO22007-2:2022由国际标准化组织ISO/TC61（塑料技术委员会）负责制定，具体由SC5（物理化学性能分技术委员会）下属的WG8工作组负责技术内容起草工作。该标准的修订汇集了来自全球多个国家的标准化专家和热物性测试领域的技术权威。在标准制定过程中，瑞典HotDiskAB公司及其创始人Gustafsson博士团队发挥了核心技术支持作用。HotDiskAB公司总部位于瑞典哥德堡，是瞬态平面热源法技术商业化的先驱和全球领导者。该公司创始人SilasGustafsson教授于20世纪80年代发明了热盘技术并申请了基础专利，此后其团队持续完善理论模型和传感器制造工艺，使热盘技术从实验室研究逐步走向标准化和产业化。该公司提供的热常数分析仪已成为全球热物性测试领域最具影响力的商用产品之一，广泛应用于学术界和工业界。在国际标准制定进程中，HotDiskAB公司的技术专家深度参与了ISO22007-2标准的技术方案论证、实验室间比对测试和标准文本起草工作。其贡献主要体现在以下几个方面：提供高精度的标准参考传感器用于实验室间比对；贡献了大量的标准物质测试数据用于验证方法的重复性和再现性；参与制定传感器的标定规程和质量控制要求。此外，来自德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）、瑞典RISE研究院、日本国立材料科学研究所（NIMS）等权威研究机构的专家也积极参与了该标准的制修订工作，通过多轮实验室间循环比对试验，为确定标准的精密度数据和测量不确定度评估方法提供了关键的实验依据。5结论与展望ISO22007-2:2022的发布标志着塑料材料瞬态平面热源法热物性测试技术在国际标准化层面迈上了新台阶。相较于2008年的首版标准，2022版在传感器标定方法、数据处理算法、不确定度评估流程以及各向异性材料测试指导等方面均实现了显著的技术升级，更加适应当前高性能塑料及复合材料研发和应用的现实需求。该标准的实施对于推动塑料热管理材料产业的健康发展具有重要的支撑作用。一方面，统一、规范的导热率与热扩散率测试方法为材料研发和质量控制提供了可靠的技术依据，有助于缩短新型导热塑料的开发周期；另一方面，标准化的测试方法为国际贸易中热物性数据的互认奠定了技术基础，降低了技术性贸易壁垒。展望未来，随着人工智能、大数据和智能制造技术的快速发展，瞬态平面热源法测试技术将朝着自动化、智能化和原位化方向持续演进。在标准层面，以下发展趋势值得重点关注：一是面向超薄薄膜材料、各向异性复合材料、多孔发泡材料、相变储能材料等新型材料的专用测试方法标准将不断完善；二是原位、在线热物性测量技术标准的开发将受到越来越多的关注；三是数字化时代的数据质量规范、机器学习辅助数据分析方法的标准化也将成为未来标准工作的新方向。对于我国而言，ISO22007-2:2022的发布为国内相关标准的制修订提供了重要的国际参照。全国塑料标准化技术委员会（SAC/TC48）已将该国际标准等同转化为国家标准GB/T32064-2025《塑料导热率和热扩散率的测定第2部分：瞬态平面热源（热盘）法》，这标志着我国在该领域的技术标准化工作已与国际接轨。在积极转化国际标准的同时，我国还需加强自主测试方法研究和标准物质研制，提升国产热物性测试仪器的技术水平与国际竞争力，推动中国标准在国际标准化舞台上发挥更大的影响力。参考文献[1]ISO22007-2:2022,Plastics—Determinationofthermalconductivityandthermaldiffusivity—Part2:Transientplanehea