GB/T 42919.4-2023 塑料导热系数和热扩散系数的测定 第4部分：激光闪光法（正式版）

ICS83.080.01GB/T42919.4—2023塑料导热系数和热扩散系数的测定(ISO22007-4:2017,MOD)国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会GB/T42919.4—2023本文件是GB/T42919《塑料导热系数和热扩散系数的测定》的第4部分。GB/T42919已经发本文件与ISO22007-4:2017相比做了下述结构性调整：——第12章对应ISO22007-4:2017中的第11章； 附录A对应ISO22007-4:2017中的附录B,附录B对应ISO22007-4:2017中的附录C,附录C对应ISO22007-4:2017中的附录A。本文件与ISO22007-4:2017的技术差异及其原因如下：——增加了规范性引用的GB/T2035(见第3章),以适应我国的技术条件；——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； 用规范性引用的GB/T2918替换了ISO291(见第6章),以适应我国的技术条件 用规范性引用的GB/T39812替换了ISO2818、GB/T1040.1替换了ISO527-1(见附录——增加了导热系数λ的计算公式到注中(见第4章);——将ISO22007-4:2017中6.2的注2内容调整至正文中(见6.2);IIⅡGB/T42919.4—2023GB/T42919描述了各种不同原理测定塑料导热系数和热扩散系数的方法。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面内容。——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1GB/T42919.4—2023塑料导热系数和热扩散系数的测定第4部分：激光闪光法本方法适用于在-100℃~400℃的气体或真空环境下热扩散系数为1×10-⁷m²s-¹~1×GB/T1040.1塑料拉伸性能的测定第1部分：总则(GB/T1040.1—20GB/T2035塑料术语及其定义(GB/T2035—2008,ISO472:1999,IDT)GB/T2918塑料试样状态调节和试验的标准环境(GB/T2918—2018,ISO291:2008,MOD)GB/T27418测量不确定度评定和表示(GB/T27418—2017,ISO/IECGuide98-3:2008,MOD)GB/T39812塑料试样的机加工制备(GB/T39812—2021,ISO2818:2018,IDT)GB/T42919.1塑料导热系数和热扩散率的测定第1部分：通则(GB/T42919.1—2023,ISO22007-1:2017,MOD)3.13.23.3最大温升maximumtemperaturerise2GB/T42919.4—2023半升温时间half-risetimet₁/2试样表面的温度-时间曲线。3.6厚度thicknessd传热测量方向的试样尺寸。4原理在平板试样的一面(正面)施加一个激光脉冲，相比于半升温时间该激光脉冲持续时间很短，能量分布均匀(见6.1)。样品另一面(背面)的瞬态温升为时间的函数(见图1)。通过将测量温度曲线与理论模型(见第9章和附录A)进行比较得到热扩散系数。λ=a·Cp·p (1)3GB/T42919.4—2023△Tmax△Tmax/20ab标引符号说明：a——基线；5.1通则测温装置(如热电偶)的炉体(加热炉和气候室)、闪光源(如激光)、脉冲检测器、瞬态探测器(红外探测5.2炉体4GB/T42919.4—2023测温装置的设计应不会显著干扰激光脉冲在试样中产生的温度场。3——试样；图2激光闪光法测量热扩散系数的装置图闪光源的能量水平应控制在试样背面产生的温升不超过3K,试样正面受到脉冲加热的空间能量分布尽可能均匀，脉冲持续时间应小于1ms。热脉冲源可优选激光器，也可为闪光管。光电二极管能用来确定脉冲的持续时间和形式以及起始时间。5.4瞬态探测器能使用红外探测器测量试样背面的瞬态温升，瞬态探测器应能检测到试样背面温度5mK的变探测器及其相关电子设备(放大器、模拟/数字转换器等)的频率响应大于10kHz。如使用电子滤注：红外探测器的选择取决于温度范围，当温度范围在-100℃~400℃,也能使用光伏或光电导探测器。测量试样背面的温度或与其成正比的量(如电压),并应在整个测试期间连续记录，数据采集系统可以是模拟的或数字的，应对温度图上超过1000个数据点进行采样，采样频率高于100/t₁/2,时间精度优5于±1×10-⁵s。5.5测厚仪对于软质塑料，应使用具有可重复低压缩功能的千分尺。6.1试样的形状和尺寸试样应为圆形薄片，直径为5mm～20mm,试样厚度应根据脉冲宽度和材料的热扩散系数来选择，选择的脉冲宽度应小于半升温时间的0.01倍。通常，厚度为0.5mm～3mm。应选择适宜径厚比的试样，以便在试验过程中忽略二维效应，直径与厚度之比应大于3:1。试样两表面应平整且平行，不平行度应小于平均厚度的1%,较大不均匀性的影响能用测量不确定度来估计。6.2试样的制备和处理试样应能代表所检测的材料，并应小心制备和处理。如切割试样时，宜避免过热、分子取向变化或任何其他可改变试样性能的影响。按附录B制备定向各向异性试样。应按相关材料标准或相关方商定的方法在测量前对样品进行处理。除非另有规定，否则宜按照注：由于材料及其热历史，试样制备方法可能会对测量结果产生影响。6.3试样涂层对特定波长激光脉冲透过的试样，测试前应在其表面涂覆适当涂层(例如金属涂层),以防止激光脉冲穿透试样。试样表面可涂覆一层不透明的黑色薄层(即一层石墨),以优化脉冲能量的吸收和热辐射的散发。涂层对传热的影响应忽略不计(即涂层与试样相比应具有高的热扩散系数和薄的厚度)。对涂层厚度进行选择时，涂层的半升温时间应小于试样总半升温时间的2%。注1:涂层的半升温时间t₁/2能够通过其厚度d和热扩散系数a,采用公式(2)及变形公式(A,1)计算： (2)式中：t₁/——半温升时间，单位为秒(s);d——涂层厚度，单位为毫米(mm);a——热扩散系数，单位为平方米每秒(m²/s)。7校准和核查7.1仪器校准激光闪光技术是一种绝对方法，允许用户在不使用参考材料进行校准的情况下，可直接溯源到基本——用于测量样品厚度的测厚仪；6GB/T42919.4—2023——用于测量样品稳态温度的测温装置；——用于测量红外探测器信号的数据采集系统的时间基准和电压； 红外探测器。该校准主要用于低于200℃红外探测器的校准，不能忽视此时输出温度的非线性行为(见ISO18755)。7.2仪器核查宜通过测量一种或多种覆盖待测材料热扩散系数范围的参考物质来定期核查仪器。如测量值与参考值之差超过参考值的5%,则按照7.1重新进行校准。核查试验可采用一些具有明确且可重复的热性能的材料来开展，如Armco铁、Poco石墨、Pyroceram9606和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。其中的Pyroceram9606(陶瓷材料)已通过认证，其热扩散系数测量是涉及国家计量机构的国际计划的一部分[3]。该有证参考物质可从参考材料和测量协会选择的参考物质的半升温时间和热扩散系数宜与待测材料接近。8试验步骤8.6测量试样的稳态温度。8.8用激光脉冲照射试样，采取适当的安全预防措施，确保激光束不会造成试样的任何分解。将试样8.9连续测量和记录激光脉冲前后试样背面的温度随时间变化的量，所获得的温度曲线应包括基线、瞬态上升期和冷却期(见图1)。8.10如需要，测量在8.8中施加的激光脉冲的能量-时间曲线，以修正脉冲的持续时间的影响(见附录A)。8.11根据温度曲线，按照第9章计算热扩散系数。8.12按照8.8～8.11,在相同温度下至少重复3次，计算热扩散系数的平均值和偏差。假设试样是均匀的，如对均匀性有任何疑问，采用两个厚度比约为1:2的试样进行测量。如测得的扩散系数相同，则不均匀性的影响可忽略不计。8.13重复步骤8.5～8.12,进行下一个温度点的测试。生影响。如在较高温度下进行试验，宜研究此类温度对试样可能发生的变化所产生的影响。可在该试验前后各进行一次室温下的热扩散系数测定，如果结果有差异，宜考虑减少每个试样在更高温度下试验时间。宜避免在试样可能发生转变的温度下进行试验(如一级或二级相变、晶体转变或玻璃化转变)。7GB/T42919.4—20239结果计算与表示9.1结果计算试样背面温度曲线的分析和热扩散系数的计算如下。a)如半升温时间t₁/₂小于脉冲宽度的100倍，则进行有限脉冲修正(见附录C)。b)确定曲线的基线和最大值，计算最大温升△Tmx。如基线显示漂移，则通过外推基线来校正温度曲线。c)将所有温升值除以△Tma,修正背面温升曲线。d)采用部分时矩法[6]或任何其他适宜的方法，使用热膨胀校正后的厚度计算热扩散系数。本文件中推荐的“部分时矩法”对测试噪声的灵敏度低，它只使用温度曲线的上升部分，这一部分对热扩散系数影响较大。只要已知不确定度，也可使用其他方法。附录A给出了此类计算方法的示例。在部分时矩法中，热扩散系数α由公式(3)给出： (3)由公式(4)和公式(5)定义两个部分时间矩m。和m-1: (4)和 (5)其中△T(t)从实验温度曲线中得到。to.1和to.g是从脉冲到达试样背面达到△Tmax的10%和80%所需的时间。函数F(m_1)由公式(6)和公式(7)定义：当0.44>m-1>0.27:F(m_1)=0.08548-0.314(0.5486-m-1)+0.500(0.5486-m_1)².63 (6)F(m_1)=—0.0819+0.305m-1…………(7)当满足下列条件时，可采上述计算方法：——与热扩散的时间特性(即脉冲宽度小于t₁/₂的1%)相比，激光脉冲的持续时间较短，如果情况不符合，参考附录A对时间尺度进行修正；——在激光脉冲的作用下，试样的正面被均匀加热；——试样是均匀的；——在所用波长处，试样对激光辐射不透过。注4:通过在试样的两个表面上喷涂适当的涂层，满足试样不透明的假设。8GB/T42919.4—20239.2结果表示试验结果可以是一个试样的测试结果(如每次只测一个试样)或是所有试样测试结果的平均值。试验结果保留三位有效数字。10不确定度按照GB/T27418规定，通过激光闪光法和部分时矩法，计算在环境温度和400℃之间(取决于材料和温度),热扩散系数测定的相对扩展不确定度(置信度为95%)估计为士3%~±5%7。基于在相同条件下进行5次成功测量验证，该方法的重复性优于1%。11精密度见附录D。12试验报告试验报告应包括以下信息：a)本文件编号；b)试验日期；d)试样规格尺寸(每次测试时在室温下的直径和厚度，给出测试温度下厚度的计算方法)及测试试样的编号；e)试样制备详情；g)激光脉冲的波长和持续时间；h)用于测量试样背面瞬态温升的探测器类型；i)使用的加热炉类型及其温度范围；k)用于计算热扩散系数和评估校正(例如，由于热损失和有限脉冲持续时间)的方法；1)测定的热扩散系数/导热系数；m)偏离本文件的测试条件或材料。9(资料性)计算热扩散系数的替代方法所有计算热扩散系数的方法都是基于具有适当初始和边界条件的热传导方程。最初的方法[8是基于与绝热试验相对应的分析模型，在此基础上根据半升温时间t₁/2计算热扩散系数。在绝热试验的情况下，热扩散系数α仅由厚度d和半升温时间t₁/2相关，并按公式(A.1)进行计算：由于方法忽略了热损失，在热扩散系数测定中出现显著的系统误差。由于部分塑料材料的热扩散系数较低，因此该模型不是一种合适方法，而且该试验不能被认为是绝热的。一些方法是在上述方法的基础上进行了改进，考虑不可避免的热损失，计算热扩散系数时引入修正因子，在试验曲线上使用一个或多个特征点。常用的方法包括Cape和Lehman方法[9]、Cowan方随着现代数据采集技术的进步，基于部件分析法(部分时间矩法[6])或基于整体温度响应法(最小二乘法(1²)得到了越来越多的运用。这些计算方法通常是基于将从数学模型中获得的测量值和理论值之间的差异最小化，它们既不同于所用的分析模型，也不同于通过比较测量的试验温升与时间记录的分析曲线的方法。GB/T42919.4—2023(规范性)以一块样板为例见图B.1。 图B.1样品示例B.3样品制备样板最好是用颗粒注塑成型。注塑条件应符合相关材料的国家标准，如果无法实现，则由相关方GB/T42919.4—2023从成品取的试样应取自曲率最小的平坦区域。样板不宜加工以减少其厚度。表面进行加工的试样与表面未进行加工的试样的测试结果不具有可B.4试样检查试样检查应按照GB/T1040.1规定进行。B.5样品各向异性通过平行和垂直于典型成型流动方向切割样品，能对样品热性能的方向依赖性进行评估。当无法——流动方向(平面内):x方向(见图B.1);——垂直于流动方向(平面内):y方向(见图B.1);——垂直于流动方向(穿过平面):z方向(见图B.1)。B.6试样的位置和制备所有试样应从样品中间开始，按照流动方向制备(见图B.2和图B.3)。图B.2试样位置图GB/T42919.4—2023t——样板厚度；图B.3试样制备过程图根据测量设备的不同，试样的尺寸也会有所不同。下面是一个用于特殊示例几何图形的选项。在平面方向进行测量，沿与流动方向平行(x轴)或垂直(y轴)的方向，以切割或打孔的方式从样板中间取下一个28mm×12.7mm×2mm的薄片。从薄片上加工得到12.7mm×2mm×2mm样B.6.2测量方向为z方向通过制备平行(如图B.3所示)或垂直于流动方向的试样，能确定导热系数在平面方向上的各向B.7试验报告除第12章的规定外，试验报告还应包括以下信息试样制备和试样加工的细节：a)包括关于流动方向测量信息；b)测定试样比热的方法及相应的标准；c)所有偏离本附录的部分。GB/T42919.4—2023(资料性)有限脉冲持续时间修正所有计算热扩散系数的方法都假定激光脉冲符合Dirac函数，因此不能忽略脉冲持续时间的影响(见第9章),宜对有限脉冲时间进行修正。通过半升温时间t₁2计算热扩散系数的第一种方法是假设一个Dirac函数形式的脉冲，并对获得的更通用的方法是将时间原点作为到激光脉冲的中心点tg,并计算热扩散系数。在这种情况下，激GB/T42919.4—2023(资料性)多家实验室测试热扩散系数精密度数据表D.1验证试验材料实验室内和实验室间精密度统计样品实验室内实验室间标准差S,/重复性限r重复性相对标准差Sg/再现性限R再现性相对误差/%聚酰亚胺碳纤维复合材料0.330.9247.77环氧碳纤维复合材料0.250.700.250.70酚醛玻璃纤维复合材料0.050.134.790.110.30聚砜0.020.070.030.086.17聚乙烯0.030.094.600.130.37聚丙烯0.020.070.060.15聚醚酮0.040.100.060.179.90该测试方法的精密度(以热扩散系数表示)结果为：GB/T42919.4—2023[1]GB/T6379.2测量方法与结果的准确度(正确度与精密度)第2部分：确定标准测量方法[2]ISO18755,Fineceramic(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)-Determinationofthermaldiffusivityofmonolithicbylaserflashmethod[3]SALMOND.,BAXENDALES.,GROBOTHG.,HAYB.,HAMMERSCHMIDTU.,BRANDTR.,SINNEMAS.,BAILLISD.ThecertificationofthermalconductivityanddiffusivitypropertiesofPyroceram9606asareferencematerialupto1000℃,HTCRM,CertificationReport[4]http://www.irmm.jrc,be[5]AKOSHIMAM.,&BABAT.,ThermalDiffusivityMeasurementofCandiateReferenceMa-terialsbytheLaserFlashMethod.IntJ.Thermophys.2005,26[6]:1883-1898.[6]DEGIOVANNIA.,&LAURENTM.Unenouvelletechniqued'identificationdeladiffusivitethermiqueparmethodeflash.Rev.Phy.Appl.(Paris).1986,21:229-237.[7]HAYB.,FILTZJ.-R.,HAMEURYJ.,RONGIONEL.UncertaintyofThermalDiffusivityMeasurementsbyLaserFlashMethod.Int.J.Thermophys.2005,26(6):1883-1898.[8]PARKERW.J.,JENKINSR.J.,BUTLERC.P.,ABBOTG.L.Flashmethodofdeterminingthermaldiffusivity,heatcapacityandthermalconductivity.J.Appl,Phy.1961,32(9):1679-1684.[9]CAPEJ.A.,&LEHMANG.W.Temperatureandfinitepulse-timeeffectsintheflashmeth-odformeasuringthermaldiffusity.J.Appl.Phys.1963,34(7):1909-1913.[10]cOWANR.D.Pulsemethodofmeasuringthermaldiffusivityathightemperatures.J.Appl.Phys.1963,34(4):926-927.[11]CLARKL.M.,&TAYLORR.E.Radiationlossintheflashmethodforthermaldiffusivity.J.Appl.Phys.1945,46(2):714-719.[12]GEMBAROVICJ.,VOZARL.,MAJERNIKV.Usingtheleastsquaremethodfordatare-ductionintheflashmethod.Int.J.HeatMassTransfer.1990,33(7):1563-1565.[13]