GBT 35807-2018 硫化橡膠 熱擴(kuò)散系數(shù)的測定 閃光法

硫化橡膠熱擴(kuò)散系數(shù)的測定閃光法中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局IⅡ1硫化橡膠熱擴(kuò)散系數(shù)的測定閃光法本標(biāo)準(zhǔn)適用于測量溫度在20℃~250℃范圍內(nèi)，熱擴(kuò)散系數(shù)在0.01mm2/s以上的主體上均勻各Q2β——達(dá)到最高強(qiáng)度所需的脈沖持續(xù)時間分?jǐn)?shù)；K],K?——基于β的常數(shù)；p——密度，單位為兆克每立方米(Mg/m3);△Tmx——最高溫度與基線的差值，單位為開爾文(K);T——脈沖持續(xù)時間(見圖1)。圖1激光脈沖形狀4.2本標(biāo)準(zhǔn)中特定的腳標(biāo)說明x——上升百分比；p——恒壓。用高強(qiáng)度的能量脈沖對小而薄的圓盤狀試樣進(jìn)行短時間的輻照，其原理示意圖見圖2。試樣的正面吸收脈沖能量并記錄其所引起的背面溫度變化(溫度自記曲線)。熱擴(kuò)散系數(shù)通過試樣的厚度和背面溫度上升達(dá)到最大值的某一比值所需時間(見圖3)計算得到。當(dāng)需要測定試樣在一個溫度范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)時，在每一所需溫度下需要分別測試。注：本測試方法在大量出版的書籍和綜述文章中都有詳細(xì)說明，在附錄A中對原理進(jìn)行了概述。瞬時脈沖瞬時脈沖初始溫度T?側(cè)面圖2閃光法機(jī)理3t/t?/2——某一時刻t與半升溫時間的比值。閃光源閃光源樣品檢測器信號處理期應(yīng)小于t?/2的2%。照射在試樣表面的脈沖強(qiáng)度要均勻。使用的脈沖持續(xù)時間應(yīng)在t?/2的0.5%～2%47.1尺寸和形狀用的儀器，其正面面積比能量束斑小。典型的試樣直徑為10.0mm～12.5mm,試樣厚度尺寸為1mm~7.2試樣數(shù)量平行試驗應(yīng)不少于2個。厚度測試所用的測厚計應(yīng)符合GB/T2941中A方法的規(guī)定。制備的試樣應(yīng)表面平整且平行度在厚度的0.5%以內(nèi)，表面不宜有缺陷(如凹坑、劃痕或標(biāo)記)。在測試之前，采用非常薄的、均勻的石墨或其他高輻射率涂層對試樣的上下表面進(jìn)行處理。可采用7.5調(diào)節(jié)和停放試樣的調(diào)節(jié)、停放應(yīng)符合GB/T2941的規(guī)定8校準(zhǔn)和校驗8.1定期校驗設(shè)備性能和評估誤差，通過測量一個或幾個已知熱擴(kuò)散系數(shù)的材料來實現(xiàn)。附錄B給出8.2閃光法測試儀的溫度校正目前主要有以下兩種方法：a)居里點(diǎn)標(biāo)樣校正法：找到一系列居里點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度在儀器測量溫度范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過測量其相變溫度與理論值的偏差來校正儀器內(nèi)部的溫度；b)外置式標(biāo)準(zhǔn)熱電偶法：通過已標(biāo)定的熱電偶來校正儀器內(nèi)部溫度。上述兩種方法用戶可選擇使用。用戶可以進(jìn)行自校驗或委托具有資質(zhì)的計量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校正。8.3使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗證未知材料的數(shù)據(jù)，需注意當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的性能(包括半溫升時間和熱擴(kuò)散系數(shù))與8.4進(jìn)行修正時，對數(shù)據(jù)有效性的重要檢驗方法是改變試樣厚度。因半升溫時間隨L2變化，即試樣厚度減小一半，半升溫時間相應(yīng)減少到其原始值的四分之一。因此，試樣測得的熱擴(kuò)散系數(shù)相同時(應(yīng)用合適的熱損失修正),可以認(rèn)為所測得的數(shù)據(jù)是真實有效的。9試驗步驟9.1測定并記錄試樣的厚度。9.2根據(jù)試樣情況，對試樣進(jìn)行表面處理(見7.4),然后放入樣品支架中。9.3測定試樣溫度。59.4能量脈沖的選擇。在保證可測溫升的前提下，應(yīng)選用盡可能低的能量脈沖，以確保檢測器在其線性范圍內(nèi)工作(特別是在低溫測試時),同時防止較大的脈沖能量造成試樣表面吸收層溫度的明顯上升(極端情況下可能造成試樣表面的分解)。9.5脈沖發(fā)出后，監(jiān)控初始的或處理過的溫度曲線以確定合適的能量范圍。9.6在測試前或是測試過程中，應(yīng)手動或自動校驗溫升信號基線的穩(wěn)定性，確保其在最大溫升的4%9.7在基線穩(wěn)定的情況下，測定試樣的環(huán)境溫度，采用9.4中選定的能量進(jìn)行測試，并采集基線和瞬時溫度升高及冷卻數(shù)據(jù)，根據(jù)第10章的規(guī)定分析結(jié)果。在多試樣測試時，在相同溫度下按順序?qū)υ嚇舆M(jìn)行依次測定(節(jié)約時間),然后再升溫至下一待測溫度。10計算10.1.1首先確定基線和最高溫升，得到溫度變化△Tmx,再確定試樣背面的溫度從脈沖發(fā)射開始至升高到△Tm一半所需要的時間，即半升溫時間t?/2。根和2,通過式(1)計算得到熱擴(kuò)測量的有效性可由溫升曲線上除半升溫時間外的至少兩個點(diǎn)按式(2)計算出的熱擴(kuò)散系數(shù)α來k——常數(shù)，其值見表1;溫度升高至△Tmx的x(%)所需要的時間。表1各百分比溫升下常數(shù)k、的值k10.1.2理想情況下，不同的x(%)值計算得到的α值都應(yīng)該是相同的。如果x(%)值為25%、50%、75%時計算的α值誤差控制在±2%以內(nèi)，那么在半溫升時間處測試的整體誤差將在士5%以內(nèi)。如果α值在此范圍之外，則應(yīng)對響應(yīng)曲線進(jìn)行進(jìn)一步分析，以確定是否存在輻射熱損失、有限脈沖時間或者10.1.3輻射熱損失效應(yīng)可以容易地從4t?/?時間后試樣溫度和背面溫度的響應(yīng)特性得到辨認(rèn)。推薦方6表2理論模型作圖用溫度時間數(shù)值0010.1.4可以根據(jù)表中的△T/△Tm和t/t?2值畫出理論模型曲線，并將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，所有歸一計算中需包含25%～35%及65%～80%范圍內(nèi)有限脈沖時間效應(yīng)。修正這些效應(yīng)的方法可查閱文獻(xiàn)，且在10.2和10.3中給出了修正特例說明。溫升百分比溫升百分比I?/2圖5無量綱溫度曲線與數(shù)學(xué)模型的對比7圖6歸一化背面溫升曲線：數(shù)學(xué)模型(無有限脈沖時間效應(yīng))與試驗結(jié)果(存在有限脈沖時間效應(yīng))的對比圖7歸一化背面溫升曲線：數(shù)學(xué)模型(無輻射熱損失)與試驗結(jié)果(存在輻射熱損失)的對比10.1.6有限脈沖時間效應(yīng)隨著厚度增加而降低，而熱量損失隨著厚度的減小而減少，選擇合適的試樣厚度能使修正值最小化。10.1.7因為二維熱流的存在，非均勻加熱效應(yīng)也會引起試驗曲線與模型曲線相比而下移的偏差。非均勻加熱可能因為能量脈沖的本質(zhì)造成，如熱中心(試樣中心溫度高)情況近似為輻射熱損失的例子，也可能是試樣正面的非均勻吸收造成，如冷中心(試樣中心溫度低)情況導(dǎo)致背面溫度在4t2后繼續(xù)顯著上升，前一種情況應(yīng)通過更換能量源來消除，而后者可以通過增加吸收層(如石墨噴覆)來消除。10.2有限脈沖時間校正一般可以使用式(3)進(jìn)行校正：如圖1所示，為使其是有效的，脈沖強(qiáng)度的變化以持續(xù)時間t和達(dá)到最大強(qiáng)度的時間βt的三角形表示。激光能量脈沖的形狀可以使用光學(xué)檢測器來確定。從脈沖的形狀可以得到β和r。與β值對應(yīng)的用于校正α,的常數(shù)K1和K,的值列于表3。表3有限脈沖時間因子β8表3(續(xù))β系數(shù)ABCDEFGHKr=—0.3461467+0.361578(to.7s/to.25)-0.06520543(to.7s/to.25)29d)試驗溫度下，計算x=50%時的熱擴(kuò)散系數(shù)；關(guān)于重復(fù)性和再現(xiàn)性的精密度計算按照GB/T1483溫度范圍/℃相對(r)/%相對(R)/%≤8.0注：r=重復(fù)性，熱擴(kuò)散系數(shù)單位；(r)=重復(fù)性，百分比(相對);R=再現(xiàn)性，熱擴(kuò)散系數(shù)單位；(R)=再現(xiàn)性，百分比(相對)。(資料性附錄)A.1理想情況——脈沖方法的物理模型建立在絕熱(隔離熱交換)的板狀材料的熱性能上，在恒定溫度下，其正面受到一個瞬間能量脈沖作用，模型假設(shè)如下：b)板表面沒有熱損失；c)正面均勻吸收脈沖；d)脈沖持續(xù)時間極短；e)僅表面非常薄的一層吸收能量脈沖；f)板狀材料均勻、各向同性；g)在試驗條件下材料的性質(zhì)不隨溫度變化。Parker根據(jù)厚度均勻(厚度為L)的固體隔熱材料內(nèi)的溫度分布方程推導(dǎo)出計算熱擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，見Carslaw和Jaeger給出的式(A.1):α——材料的熱擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)一個能量輻射脈沖Q瞬間照射試樣正面(x=0)并被均勻吸收，吸收層深度為g,此時的溫度分布為：時，見式(A.2):在此初始條件下，式(A.1)可以寫為式(A.4):C——材料比熱。對不透光材料而言，g非常小，因此有式(A.5)在背面，即x=L處，溫度隨時間的變化過程可以用式(A.6)表示：Tm代表背面的最高溫度，聯(lián)立式(A.6)～式(A.8)得式(A.9):當(dāng)V=0.5,w=1.38式中t?/2是背面溫度達(dá)到其最高溫度的一半所需的時間。閃光法原理可用圖2來說明。A.2非理想情況——實際測試時都會在一定程度上違背上述假設(shè)，所以上述Parker方法一引入，其不足就非常明顯。此后，研究者引用各種理論去描述實際過程，并對違反假設(shè)的邊界條件進(jìn)行修正。理想的修正應(yīng)包括所有因素，但至今還沒有這樣的修正方法。而有人采用單一或成對的修正方法來計算偏差。結(jié)果是經(jīng)修正后，最后得到一系列互有差異的數(shù)據(jù)。從歷史的觀點(diǎn)來說，這是可以理解的，每個研究者都聚焦于修正理想模式中一個或兩個偏離因素，而假定其他的因素都是理想的、恒定的。但這本身違背了原理，因為現(xiàn)實中試驗總會在一定程度上受特定試驗條件的干擾，所有參數(shù)同時都在變化。有些情況可能會增大某個條件的影響，例如脈沖過長，有些則會造成其他偏差，如正面由于脈沖能量過大造成的過度熱損失等。因此，研究者選擇與試驗條件相符的修正進(jìn)行分析是很重要的。例如，當(dāng)測試的試樣很薄且熱擴(kuò)散系數(shù)很大時，會產(chǎn)生明顯有限脈沖時間效應(yīng)。當(dāng)測試的試樣較厚時，高溫下輻射熱損失會很明顯。相比之下，任何熱擴(kuò)散系數(shù)試驗中都會存在加熱不均勻的情況，如輻照面小于試樣的面積或脈沖的輻射流密度在試樣表面分布不均勻。當(dāng)吸收能量相同時，非均勻照射的半升溫時間(根據(jù)試樣背面中心的溫升曲線得到)與均勻照射時有很大不同，可通過增大試樣的厚度與半徑比來減少這種影響，采用自動對試樣背面的溫升信號進(jìn)行積分的溫度測試系統(tǒng)也可以達(dá)到同樣的效果。往往由于對設(shè)備的情況和所測的參數(shù)了解不夠，很難選擇出最優(yōu)的修正方法。原則上，應(yīng)回到最初的前提：數(shù)據(jù)的精確度取決于數(shù)學(xué)模型與試驗結(jié)果的一致性。對所得試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的目的是通過修正偏差使其接近理想情況。B.1美國國家工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(NIST)提供了少量用于測定熱擴(kuò)散系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(SRM)。但是，表B.1標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)熱擴(kuò)散系數(shù)參考值標(biāo)樣名稱298K下熱擴(kuò)散系數(shù)理論值℃純銅純鐵更詳細(xì)的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化曲線詳見廠測試上限溫度不得超出標(biāo)樣的最高使用溫度(以理論值覆蓋的上限溫C.1使用精密度結(jié)果的一般程序如下，用符號|X?-X?|表示任意兩次測量值的正差。(例如不帶任何標(biāo)識的兩次測量值)C.2查相應(yīng)的精密度表(無論所考慮的是什么測試參數(shù)),在測得產(chǎn)權(quán)數(shù)的平均值與正在研究的測試數(shù)C.3用下列通用的重復(fù)性表述和相應(yīng)的r及(r)值可用來判定精密度。間的絕對差|X?一X?|,平均每20次中不得多于一次超過表中所列的重復(fù)性r;b)兩個測試平均值間的百分?jǐn)?shù)差：在正常和正確操作的測試程序下，用名義上相同的材料樣品得到的兩個測試平均值間的百分?jǐn)?shù)差，平均每20次中不得多于一次超過表中所列的重