Introduzione del metodo di prova per la conducibilità termica

Nel nuovo settore dei veicoli energetici, i materiali conduttivi termici sono ampiamente utilizzati. La conducibilità termica è uno dei parametri importanti che caratterizzano le prestazioni dei materiali termoconduttivi ed è anche l'indicatore tecnico che gli utenti sono più preoccupati.

La definizione di conducibilità termica è: in condizioni stabili di trasferimento di calore, un materiale con uno spessore di 1 metro ha una differenza di temperatura di 1 grado (K, ℃) su entrambi i lati della superficie e entro 1 secondo (1 secondo), il calore trasferito attraverso un'area di 1 metro quadrato è espresso in watt per metro per grado (W/(m · K), dove K può essere sostituito da ℃.

La conducibilità termica di un materiale non è solo correlata al suo tipo di materiale, ma anche strettamente correlata alla sua microstruttura e al suo contenuto di riempimento. Negli esperimenti scientifici e nella progettazione ingegneristica, la conducibilità termica dei materiali utilizzati deve essere misurata con precisione utilizzando metodi sperimentali. Esistono molti metodi per misurare la conducibilità termica, che hanno diversi campi di applicazione, intervalli di misura, precisione e requisiti di dimensione del campione. Diversi metodi possono avere differenze significative nei risultati di misura dello stesso campione. Pertanto, scegliere un metodo di prova adatto è la prima priorità.

Attualmente, i metodi di misura per la conducibilità termica sono divisi in due categorie: metodo a stato stazionario e metodo non stazionario, con diversi principi di prova. Nell'industria del silicone termoconduttivo, i metodi di prova comuni sono il metodo della piastra calda allo stato stazionario (norma di riferimento: ASTM D5470) e il metodo della sorgente di calore planare transitoria (norma di riferimento: ISO 22007-2).

Quanto segue introdurrà i due metodi di prova di cui sopra e gli strumenti di prova utilizzati.

1,ASTM D5470

Metodo di prova standard per le caratteristiche di trasmissione termica dei materiali isolanti elettrici a stato solido conduttivi termici sottili

Questo metodo utilizza il metodo comunemente noto del flusso di calore allo stato stazionario. Il suo principio di prova è quello di posizionare un campione di un certo spessore tra le piastre superiori e inferiori, applicare un certo flusso di calore e pressione al campione, utilizzare un sensore di flusso di calore per misurare il flusso di calore del campione, lo spessore del campione di prova e il gradiente di temperatura tra le piastre calde e fredde. Poi, i dati di resistenza termica corrispondenti per diversi spessori sono ottenuti per il montaggio lineare per ottenere la conducibilità termica del campione.

I vantaggi di questo metodo sono:

① Può testare la resistenza termica e la conducibilità termica del prodotto;

② Particolarmente adatto per simulare lo stato di utilizzo dei prodotti in condizioni di lavoro reali.

Gli svantaggi sono:

① Ci sono alcuni requisiti per lo spessore del prodotto;

② La resistenza termica del contatto influenzerà i risultati della prova;

③ Per raggiungere lo stato stazionario, il test richiede più tempo.

Diagramma di principio del metodo della piastra calda allo stato stazionario

La legge di Fourier:

Resistenza termica:

Conducibilità termica:

Le apparecchiature di prova comunemente utilizzate sono le seguenti:

Tester di conducibilità termica DRL-II (figura)

Tester di conducibilità termica DRL-III (figura)

Misuratore di resistenza termica e conducibilità termica del materiale dell'interfaccia LW-9389 (figura)

2,ISO 22007-2-2008 Plastics

Determinazione della conducibilità termica e della diffusività termica

Il metodo della sorgente di calore planare transitoria (TPS) è attualmente il metodo più conveniente e preciso per studiare la conducibilità termica dei materiali, migliorato dal metodo del filo caldo. Questo metodo utilizza una sonda istantanea del disco caldo, noto anche come metodo del disco caldo. La sonda Hot Disk è realizzata in materiale termoresistivo nichel, rivestita con materiali isolanti (poliimide, mica, ecc.) e ha una funzione di autoriscaldamento.

Il principio di questo metodo è quello di posizionare una sonda di temperatura con funzione di autoriscaldamento nel campione e applicare una potenza di riscaldamento costante alla sonda durante la prova per aumentare la sua temperatura. Il coefficiente di resistenza termica del nichel presenta una relazione lineare tra temperatura e resistenza, indicando che la perdita di calore può essere determinata comprendendo il cambiamento di resistenza, riflettendo così la conducibilità termica del campione. Quindi misurare la relazione di aumento della temperatura tra la sonda stessa e la superficie sferica separata da una certa distanza dalla sonda nel tempo e ottenere la conducibilità termica e il coefficiente di diffusione termica del campione attraverso il montaggio del modello matematico.

Figura Sonda a disco caldo rivestita di poliimide

Diagramma schematico del posizionamento di campioni solidi a disco caldo

I vantaggi di questo metodo sono:

① In grado di misurare simultaneamente conducibilità termica, diffusività termica e capacità termica per unità di volume;

② Ampia gamma di test (0.005-500W/m · K), alta precisione (± 3%), buona ripetibilità (± 1%), breve tempo di misurazione (3-5 minuti per una singola misurazione) e facile funzionamento;

③ Ci sono molti tipi di campioni che possono essere testati (liquido, polvere, gel, polimero, materiali compositi, ecc.);

④ Non influenzati dalla resistenza termica del contatto, i risultati dei test sono più vicini alla conducibilità termica del materiale stesso.

Lo svantaggio è che questo metodo è adatto per misurare la conducibilità termica di materiali omogenei e non è adatto per misurare materiali anisotropi (come fogli di grafite).

L'apparecchiatura di prova tipica è il tester di conducibilità termica Hot Disk dalla Svezia

Figura Hot Disk Conductivity Tester

La conducibilità termica è un parametro del materiale stesso, indipendente dalla sua forma e dimensione. Attualmente ci sono un gran numero di metodi di prova di conducibilità termica, ma nessun metodo può essere applicabile a tutti i prodotti e tutte le occasioni. Le caratteristiche del prodotto, gli standard di prova e l'ambiente di prova hanno tutti un impatto sui risultati della conducibilità termica. La conducibilità termica dei materiali non può essere confrontata con i dati ottenuti con metodi di prova diversi. Per ottenere risultati accurati e significativi, è necessario scegliere metodi di prova appropriati per la misurazione.

Infine, abbiamo compilato alcuni metodi standard per testare la conducibilità termica:

1,Metodo a stato stazionario

Metodo di misura GB/T 3651-2008 per conducibilità termica ad alta temperatura dei metalli

GB/T8722-2008 Metodo per misurare la conducibilità termica dei materiali di grafite a temperatura media

GB/T 10294-2008 Determinazione della resistenza termica allo stato stazionario e delle relative caratteristiche dei materiali isolanti - Metodo della piastra calda protettiva

GB/T10295-2008 Determinazione della resistenza termica allo stato stazionario e delle relative caratteristiche dei materiali isolanti - Metodo del misuratore di flusso termico

GB/T 10296-2008 Determinazione delle proprietà di trasferimento termico allo stato stazionario degli strati isolanti - metodo del tubo circolare

Misura del campo di GB/T 17357-2008 della perdita di calore superficiale dell'attrezzatura e dell'isolamento della conduttura - Metodo del misuratore di flusso di calore

Metodo di prova YBT4130-2005 per la conducibilità termica dei materiali refrattari - metodo della piastra di flusso dell'acqua

Metodo di prova standard ASTM C177-10 per la misurazione del flusso di calore allo stato stazionario e delle prestazioni di trasferimento di calore utilizzando uno strumento del metodo dello scudo termico

ASTMC182-1998 Metodo di prova standard per la conducibilità termica dei mattoni refrattari isolati

Metodo di prova standard ASTM C201-1998 per conducibilità termica dei materiali refrattari

ASTMC202-1998 Metodo di prova standard per la conducibilità termica dei mattoni refrattari

Metodo di prova standard di ASTM C335-05a per le caratteristiche di trasferimento di calore allo stato stazionario del tubo isolato orizzontale

Metodo di prova standard ASTMC518-04 per la prestazione di trasferimento di calore allo stato stazionario dei dispositivi del misuratore di portata di calore

ASTMC680-08 Pratica standard per la stima della temperatura superficiale e del guadagno/perdita di calore di sistemi a piastre, colonne e sfere utilizzando programmi informatici

Pratica standard di ASTM C687-07 per la misurazione della resistenza termica dei materiali sciolti riempiti dell'isolamento edilizio

Pratica standard di ASTM C1043-06 per l'uso della sorgente di calore circolare della linea nella progettazione del metodo protettivo della piastra calda

Pratica standard di ASTM C1044-07 per l'uso dei dispositivi protettivi della piastra calda o dei dispositivi sottili del riscaldatore nel modo singolo del campione

Metodo di prova standard ASTM C1113-2004 per la conducibilità termica dei materiali refrattari con il metodo Hotwire (tecnica del termometro di resistenza al platino)

Metodo di prova standard ASTM C1114-06 per la prestazione di trasferimento di calore allo stato stazionario dei dispositivi sottili del riscaldatore

Metodo di prova standard ASTM D5470-2012 per le caratteristiche di trasmissione termica dei materiali isolanti elettrici conduttivi termici sottili dello stato solido

ASTMD6744-01 Metodo di prova standard per la determinazione della conducibilità termica del carbonio anodico utilizzando una tecnica protettiva del misuratore di flusso termico

Metodo di prova standard ASTM E1225-04 per la determinazione della conducibilità termica solida utilizzando la tecnica del flusso termico longitudinale di confronto della protezione

Metodo di prova standard ASTM E1530-06 per la valutazione della resistenza termica del materiale utilizzando la tecnologia protettiva del misuratore di flusso di calore

ASTM F433-02 Standard Practice per la valutazione della conducibilità termica delle guarnizioni

2,Metodo transitorio

GJB1201.1-1991 Metodo di prova per diffusività termica ad alta temperatura dei materiali solidi - Metodo di impulso laser

Metodo di prova GB/T5990-2006 per la conducibilità termica dei materiali refrattari - Metodo Hotwire

GBT 10297-1998 Metodo per determinare la conducibilità termica dei materiali solidi non metallici

GBT22588-2008 Metodo Flash per la misurazione del coefficiente di diffusione termica o della conducibilità termica

ASTMC714-05 Metodo di prova standard per la misurazione della diffusività termica di carbonio e grafite mediante il metodo di impulso termico

ASTMC5334-00 Metodo di prova standard per la determinazione della conducibilità termica del suolo e della roccia molle mediante il metodo della sonda termica

Metodo di prova standard ASTM D5930-01 per la determinazione della conducibilità termica delle materie plastiche utilizzando la tecnologia di fonte di calore della linea transitoria

ISO 13826-2013 Rivestimenti metallici e altri inorganici - Determinazione della diffusività termica dei rivestimenti ceramici spruzzati termicamente con il metodo dell'impulso laser

ISO-DIS 18555 2014 Rivestimenti metallici e altri Inorganici - Determinazione della Conduttività Termica dei Rivestimenti Barriere Termiche

ISO-FDIS18755-2004 Ceramiche raffinate (Ceramiche avanzate, Ceramiche di tecnologia avanzata) - Determinazione della diffusività termica dei fogli ceramici con metodo laser flash

ISO 22007-2-2008 Plastica - Determinazione della conducibilità termica e della diffusività termica - Parte 2: Metodo a fonte di calore planare transitoria

3,Metodo quasi stazionario

ASTME2584-07 Pratica standard per la misurazione della conducibilità termica dei materiali utilizzando un calorimetro a capacità termica (tipo di inserzione)