DB51T 2434-2017 材料热导率和热扩散系数的瞬态测量-脉冲法

2017-12-20发布2018-01-01实施四川省质量技术监督局发布I II III 1 13术语和定义 14基本原理 2 36测量系统 47测量 5 8 8附录A(规范性附录)关于B(y)函数的求解 附录B(规范性附录)操作系统和数据处理 本标准按照GB/T1.1-2009规定的规则起草。本标准由四川省经济和信息化委员会提出并归口。本标准由四川省质量技术监督局批准发布。本标准起草单位：西南科技大学。本标准参加起草单位：西南应用磁学研究所，深圳欣旺达股份有限公司本标准主要起草人：陈昭栋、陈丕、霍冀川、黄鹤燕、郭宝刚、易勇、王哲、陈立、陈芬、罗浩。材料热物性的测量有稳态法和瞬态法之分。基于平衡态热力学理论的测量方法，称为稳态法。目前，国内外一般都采用稳态法测量材料的热导率。基于传热学理论的测量方法，称为瞬态法。它是在温度变化的过程中进行测量的，能同时测量材料的热导率、热扩散系数。在已知材料的密度时，可以计算材料的定压比热容，在已知热作用周期时，也能计算材料的蓄热系数。1材料热导率和热扩散系数的瞬态测量-脉冲法本标准规范了采用平面热源，以恒定热流强度脉冲加热，瞬态测量固体材料热导率和热扩散系数的基本原理、计算公式、试件制备、测量装置、测量系统、操作系统和数据处理、测量操作要点以及测量结果的表达等方面的内容。本标准适合用于含湿状态或绝干状态下，在室温附近，测量保温绝热材料、导热材料等固体板材的热导率和热扩散系数，测试范围分别为0.01Wm¹·K¹<A<5002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，仅所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/T32064-2015建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法GB/T10294-2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-防护热板法GB/T4132-1996绝热材料及相关术语GJB1485-92材料物理性能测量方法的精密度、准确度和不确定度3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。包含材料的热导率λ(即导热系数),热扩散系数a(即导温系数),定压比热容cp和蓄热系数S等，为材料热物理性质的统称，简称材料的热物性。根据传热学理论，在加热升温，或停止加热后的降温过程中，快速完成热测量，且测量系统无需实现或保持热平衡状态的一种测量方法。脉冲法pulsemethod2材料热物性的一种瞬态测量方法。指平面热源用恒定热流强度，在均匀无限大介质中，从0-t的在保持压力不变的条件下，单位质量的物体，温度升高1K,所需要供给的能量。表示材料吸收(或波幅与表面温度波幅之比为蓄热系数S,表示材料的蓄热能力。反映周期热作用下，材料4基本原理本测量方法以一维半无限大传热模型的精确解，以及平面热源用恒定热流强度脉冲加热测量装置后，获得的热源表面降温过程的规律，导出B(y)函数的测量表达式。然后用温升(或降)随时间变化3的测量数据，计算B(y)函数的测量值，再用此值代入B(y)函数的定义式，反解出y函数的数值，实现对材料热物理性质的测量。5测量装置5.1脉冲法瞬态测量装置的布置如图1所示。XX温差电偶2主试件温差电偶1Z0平面热源图1脉冲法测量装置的布置示意图三块试件重叠放置。放置方式如图1所示：辅件1置底，主试件、辅件1之间有平面热源。主试件与平面热源上表面之间安置温差电偶1。温差电偶1的测温点，位于主试件下表面中央，测量热面(,y,z)的温度变化；主试件、辅件2之间，安置温差电偶2。温差电偶2的测温点，位于主试件上表面中央，测量冷面(x,y,z)的温度变化。5.2平面热源5.2.1平面热源置于(0、y、z)平面，为测量装置的加热元件。5.2.2主试件的面积应等于或大于平面热源的面积，主试件应该全覆盖平面热源的有效发热面。5.2.3平面热源的模型为理想平面，没有厚度和质量。实际的平面热源(也称加热片),一般要求其厚度小于0.2mm,发热体电阻在36Ω左右。发热体电阻随温度的变化极小。5.2.4加热测量时，加热片的发热在持续时间上恒定，在空间分布上均匀。5.2.5选择适当的加热电流，控制测量装置的升温速度。加热之初，升温速度可以达到每秒几度的量级，且随加热的进行而减小。热测量结束时的升温速度应在0.1K·s¹左右。5.3测温元件5.3.1测温元件采用热惯性小，响应灵敏的特制温差电偶。5.3.2特制的温差电偶1和温差电偶2,采用0.05mm的、经标定后的金属丝和合金丝加工而成。45.3.3要求温差电偶的接点牢固，可靠。保护层的厚度控制在3-6μm且坚固，耐摩擦。5.3.4温差电偶的测量精度为0.1K,适用温度范围：-40-200℃。6测量系统6.1测量系统的构成脉冲法瞬态测量系统的结构框图，如图2所示。它由直流稳流电源，测量装置，测温元件，温度采集模块，中央处理器，输入、输出、显示及打印设备等部分组成。打印打印显示中央处理器输入测量装置测温元件精密可调直流稳流电源采温模块图2固体材料导热系数和热扩散系数的瞬态测量-脉冲法测量系统的结构框图6.2直流稳流电源本测量系统，要求用能产生恒定热流强度的直流稳流电源供电。直流稳流电源的技术要求为输入：交流220V,50Hz市电；输出：稳定直流。在0.010A到1.000A之间精密可调。在热测量时间内(以300秒计),加热电流的6.3中央处理器、输入、输出以及显示设备系统的中央处理器、输入、输出以及显示设备等可以选用标准设备。6.4温度采集模块温度采集模块是本测量系统的核心部件之一。其主要技术指标为温度分辨率：△9≤0.1K。6.5长度检测测量试件边长和直径的仪器精度不应低于0.001mm;测量试件厚度的仪器精度不应低于0.00016.6质量测量5质量测量仪器精度不应低于0.01g。7.1测量条件7.1.1测量装置应避免强光直射，室内风速小于0.3m·s-1,环境温度为5-35℃,波动幅度不应大于±2℃,相对湿度不超过60%。7.1.2测量遇热易变形试件时，试件加热不应引起材料发生相变或超过1%的形变。7.1.3试件含湿率的变化对测量的影响较大。不同含湿率的同一试件，在相同温度下的测量值没有可比性。只有绝干试件的热物性，在同一状态下的测量值，才是一致的。7.2试件制备7.2.1材料导热系数和热扩散系数的瞬态测量-脉冲法的待测试件，必须满足一维半无限大传热模型定解问题的边界条件和初始条件。且表面平整，不得进行表面材质、密度的改性。7.2.2待测试件采用同批次的同种材料，制成长、宽均为lm的主试件、辅件1、辅件2等三块平板。7.2.3主试件的厚度，依待测材料的密度不同可以有较大差别。对于大多数待测材料来说，主试件的厚度在0.001-0.016m之间取值，均匀性好的材料可以做得较薄，轻质材料厚度宜大一些。7.2.4若主试件的厚度取xm,辅件1的厚度D不小于3xm;辅件2的厚度d不小于2xm。7.2.5试件可以做成方体和圆柱体，对于方体，l取0.200m;对于圆柱体，直径Φ取0.060m。7.3测量步骤7.3.1测量试件参数测量主试件的质量、长、宽和厚，按图1组装测量装置。7.3.2完成系统设置设置热面、冷面和环境温度的采样通道，采样时间间隔。7.3.3预置加热电流依待测材料密度不同选择适当的加热电流，以控制加热升温速度。保温绝热材料，加热电流可在0.1-0.4A之间取值；密度大的待测材料，电流宜大一些。7.3.4热测量7.3.4.1开始测量，观察温度-时间曲线，测量数据列表的记数。若冷面、热面和环境温度基本一致(温度差小于0.2℃),可以开始加热测量。7.3.4.2加热测量之后，热面温度迅速上升；冷面温度有所滞后。当观察到冷面温度土升到0.5℃左右时，即可断电停止加热。7.3.4.3此时，应继续观察测量热面温度的降低过程，直到从断电时刻算起，至少有70组记数时，方可停止测量。7.3.5录入直接测量数据67.4.1Y函数令令9(x,t)--表示离平面热源的距离为x处，加热到t=t-t₀时间内，材料的温度变化。且7T(x,t)--待测材料中，x处(冷面)加热T(x,t₀)-待测材料中，x处(冷面)加热起始时刻的温度在上述(3)和(4)两式中，(3)式仅适用于t≤T₁的情况；而(4)式则只适用于t≥t₁的8上述(6)、(7)两式，即为脉冲法瞬态测量材料热扩散系数和热导率的基本计算公式。7.4.6平面热源自身吸热对测量影响的修正正。所谓修正，就是将加热片自身的吸热功率，从总的电加热功cpo-加热片的定压比热容；加热测量时加热片的升温速度；在瞬态测量中，升温速度可以从测量列分之开尔文K·s-¹;R--加热片发热体的电阻。单位采用欧姆Ω;l₁—主试件的长度。单位采用m;l₂—主试件的宽度。单位采用m。7.5数据处理7.60测量误差材料导热系数和热扩散系数的瞬态测量-脉冲法测量的A类不确定度参见附录B,同一状态测量复现性≤2.0%。B类不确定度≤0.2%。8绝干材料导热系数和热扩散系数的测量在执行上述第7.3.4步骤之前，需要将待测试件组反复烘烤到恒重，去除水分9测量报告99.2检测依据；9.3环境温度、相对湿度；9.4试件信息：包括试件的材料名称、规格型号、生产厂家、生产日期、产品尺寸、试样密度、试样含湿率等；9.5测量仪器信息：包括仪器名称、型号等；9.6测量结果：热测量温度范围，热导率和热扩散系数的拟合公式，给定测量温度下，热导率和热扩散系数的测量值等；9.7测量单位信息：包括测量单位名称，测量人，审校，测量主管等；9.8测量时间。A.2将(2)式改写为,………………(A.2)对(A.6)式，取m=15,k=15。做六次左右的迭代，不论用何种语言编程运算，都可以很快计算(规范性附录)B.1测量和数据处理自动化B.2测量操作系统为实现材料导热系数和热扩散系数的瞬态测量-脉冲法测量操作和数据B.3测量操作系统的功能数据(D),工具(I),帮助(H)和测量操作按键等。第二功能：采集、显示测量的温度-时间曲线；B.4数据处理流程——将整理好的测量数据代入(5)式，计算一系列B,(y)函数的测量值；——利用计算得到的B₁(y)的测量值，代入(2)式解算。即获得y;函数的测量值；——利用解出的y,,代入(6)式，计算热扩散系数a;——将计算获得的a,、测量值以及用(8)式计算出的热流强度q,代入(7)式，计算热导率λ