A introdução do método do teste para a condutividade térmica

Na nova indústria de veículos de energia, materiais condutores térmicos são amplamente utilizados. A condutividade térmica é um dos parâmetros importantes que caracterizam o desempenho de materiais condutores térmicos, e é também o indicador técnico com o qual os usuários estão mais preocupados.

A definição de condutividade térmica é: sob condições estáveis de transferência de calor, um material com uma espessura de 1 metro tem uma diferença de temperatura de 1 grau (K, ℃) em ambos os lados da superfície, e dentro de 1 segundo (1 segundo), o calor transferido através de uma área de 1 metro quadrado é expresso em watts por metro por grau (W/(m · K), onde K pode ser substituído por ℃.

A condutividade térmica de um material não está relacionada apenas ao seu tipo de material, mas também intimamente relacionada à sua microestrutura e conteúdo de enchimento. Em experimentos científicos e projetos de engenharia, a condutividade térmica dos materiais usados precisa ser medida com precisão usando métodos experimentais. Existem muitos métodos para medir a condutividade térmica, que têm campos de aplicação diferentes, faixas de medição, precisão e requisitos de tamanho da amostra. Diferentes métodos podem ter diferenças significativas nos resultados de medição da mesma amostra. Portanto, escolher um método de teste adequado é a primeira prioridade.

Atualmente, os métodos de medição para condutividade térmica são divididos em duas categorias: método de estado estacionário e método não estacionário, com princípios de teste diferentes. Na indústria de silicone condutor térmico, métodos de teste comuns são o método de placa quente de estado estacionário (padrão de referência: ASTM D5470) e o método de fonte de calor planar transiente (padrão de referência: ISO 22007-2).

A seguir serão apresentados os dois métodos de ensaio acima referidos e os instrumentos de ensaio utilizados.

1,ASTM D5470

Método de teste padrão para características de transmissão térmica de materiais de isolamento elétrico de estado sólido condutores térmicos finos

Este método usa o método comumente conhecido do fluxo de calor do estado estacionário. Seu princípio do teste é colocar uma amostra de uma certa espessura entre as placas superiores e inferiores, aplicar um certo fluxo de calor e pressão à amostra, usar um sensor do fluxo de calor para medir o fluxo de calor da amostra, a espessura da amostra do teste, e o gradiente de temperatura entre as placas quentes e frias. Em seguida, os dados correspondentes da resistência térmica para diferentes espessuras são obtidos para o encaixe linear para obter a condutividade térmica da amostra.

As vantagens deste método são:

① Pode testar a resistência térmica e condutividade térmica do produto;

② Especialmente adequado para simular o status de uso de produtos sob condições reais de trabalho.

As desvantagens são:

① Existem certos requisitos para a espessura do produto;

② A resistência térmica do contato afetará os resultados do teste;

③ Para alcançar o estado estacionário, o teste leva mais tempo.

Diagrama de princípio do método de chapa quente em estado estacionário

Lei de Fourier:

Resistência térmica:

Condutividade térmica:

O equipamento de teste comumente usado é o seguinte:

Verificador de condutividade térmica DRL-II (Figura)

Verificador de condutividade térmica DRL-III (Figura)

LW-9389 Interface Material Resistência Térmica e Condutividade Térmica Medidor (Figura)

2,ISO 22007-2-2008 Plásticos

Determinação da condutividade térmica e da difusividade térmica

O método de fonte de calor planar transiente (TPS) é atualmente o método mais conveniente e preciso para estudar a condutividade térmica dos materiais, melhorado a partir do método do fio quente. Este método usa uma sonda instantânea de disco quente, também conhecida como método de disco quente. A sonda de disco quente é feita de níquel material resistivo térmico, revestida com materiais isolantes (poliimida, mica, etc.), e tem uma função de auto aquecimento.

O princípio deste método é colocar uma sonda de temperatura com função de auto aquecimento na amostra, e aplicar uma potência de aquecimento constante à sonda durante o teste para aumentar sua temperatura. O coeficiente de resistência térmica do níquel exibe uma relação linear entre temperatura e resistência, indicando que a perda de calor pode ser determinada pela compreensão da mudança na resistência, refletindo assim a condutividade térmica da amostra. Em seguida, meça a relação de aumento de temperatura entre a própria sonda e a superfície esférica separada por uma certa distância da sonda ao longo do tempo, e obtenha a condutividade térmica e o coeficiente de difusão térmica da amostra através do ajuste de modelo matemático.

Sonda de disco quente revestida com poliimida

Diagrama esquemático da colocação de amostras sólidas de disco quente

As vantagens deste método são:

① Capaz de medir simultaneamente a condutividade térmica, difusividade térmica e capacidade térmica por unidade de volume;

② Ampla faixa de teste (0.005-500W/m · K), precisão alta (± 3%), boa repetibilidade (± 1%), tempo de medição curto (3-5 minutos para uma única medição), e operação fácil;

③ Existem muitos tipos de amostras que podem ser testadas (líquido, pó, gel, polímero, materiais compostos, etc.);

④ Não afetado pela resistência térmica de contato, os resultados do teste estão mais próximos da condutividade térmica do próprio material.

A desvantagem é que este método é adequado para medir a condutividade térmica de materiais homogêneos e não é adequado para medir materiais anisotrópicos (como folhas de grafite).

O equipamento de teste típico é o testador de condutividade térmica Hot Disk da Suécia

Verificador da condutividade térmica do disco quente da figura

A condutividade térmica é um parâmetro do próprio material, independente de sua forma e tamanho. Há atualmente um grande número de métodos de teste de condutividade térmica, mas nenhum método pode ser aplicável a todos os produtos e todas as ocasiões. As características do produto, padrões de teste e ambiente de teste têm um impacto nos resultados da condutividade térmica. A condutividade térmica dos materiais não pode ser comparada com dados obtidos por diferentes métodos de teste. Para obter resultados precisos e significativos, é necessário escolher métodos de teste adequados para medição.

Finalmente, compilamos alguns métodos padrão para testar a condutividade térmica:

1,Método do estado estacionário

Método de medição GB/T 3651-2008 para condutividade térmica de alta temperatura de metais

GB/T8722-2008 Método para medir a condutividade térmica de materiais de grafite na temperatura média

GB/T 10294-2008 Determinação da resistência térmica do estado estacionário e características relacionadas dos materiais da isolação - método protetor da placa quente

GB/T10295-2008 Determinação da resistência térmica do estado estacionário e características relacionadas dos materiais da isolação - método do medidor do fluxo de calor

GB/T 10296-2008 Determinação de propriedades de transferência de calor de estado estacionário de camadas de isolamento - Método de tubo circular

GB/T 17357-2008 Medição de campo da perda de calor de superfície do equipamento e isolamento da tubulação - Método do medidor de fluxo de calor

Método de teste YBT4130-2005 para a condutividade térmica de materiais refratários - método da placa do fluxo de água

Método padrão do teste de ASTM C177-10 para medir o desempenho do fluxo de calor do estado estacionário e da transferência térmica usando um instrumento do método do escudo térmico

Método de teste padrão ASTMC182-1998 para a condutividade térmica de tijolos refratários isolados

Método padrão do teste de ASTM C201-1998 para a condutividade térmica de materiais refratários

Método de teste padrão ASTMC202-1998 para a condutividade térmica de tijolos refratários

Método de teste padrão de ASTM C335-05a para características de transferência térmica de estado estacionário da tubulação isolada horizontal

Método de teste padrão ASTMC518-04 para desempenho de transferência de calor de estado estacionário de dispositivos do medidor de fluxo de calor

ASTMC680-08 Prática padrão para estimar a temperatura de superfície e o ganho/perda de calor de placas, colunas e sistemas de esferas usando programas de computador

Prática padrão ASTM C687-07 para medir a resistência térmica de materiais de isolamento de construção cheios soltos

Prática padrão ASTM C1043-06 para usar a fonte de calor de linha circular no projeto do método de placa quente protetora

Prática padrão de ASTM C1044-07 para usar dispositivos protetores da placa quente ou dispositivos finos do calefator no modo da amostra única

Método padrão do teste de ASTM C1113-2004 para a condutividade térmica de materiais refratários pelo método Hotwire (técnica do termômetro da resistência da platina)

Método padrão do teste de ASTM C1114-06 para o desempenho da transferência térmica do estado estacionário de dispositivos finos do calefator

Método de teste padrão de ASTM D5470-2012 para características de transmissão térmica de materiais de isolamento elétrico de estado sólido condutores térmicos finos

ASTMD6744-01 Método de teste padrão para determinar a condutividade térmica do carbono ânodo usando uma técnica protetora do medidor de fluxo de calor

Método padrão do teste de ASTM E1225-04 para determinar a condutividade térmica contínua usando a técnica longitudinal do fluxo térmico da comparação da proteção

Método de teste padrão de ASTM E1530-06 para avaliar a resistência térmica do material usando a tecnologia protetora do medidor de fluxo de calor

Prática padrão ASTM F433-02 para avaliação da condutividade térmica de juntas

2,Método transitório

Método de teste GJB1201.1-1991 para a difusividade térmica de alta temperatura de materiais sólidos - método do pulso do laser

Método de teste GB/T5990-2006 para condutividade térmica de materiais refratários - Método Hotwire

GBT 10297-1998 Método para determinar a condutividade térmica de materiais sólidos não metálicos

Método do flash GBT22588-2008 para medir o coeficiente de difusão térmica ou a condutividade térmica

ASTMC714-05 Método de teste padrão para medir a difusividade térmica do carbono e da grafite pelo método do pulso térmico

Método padrão do teste ASTMC5334-00 para determinar a condutividade térmica do solo e da rocha macia pelo método térmico da ponta de prova

Método padrão do teste de ASTM D5930-01 para determinar a condutividade térmica de plásticos usando a tecnologia transitória da fonte de calor da linha

ISO 13826-2013 Revestimentos Metálicos e Outros Inorgânicos - Determinação da Difusividade Térmica de Revestimentos Cerâmicos Pulverizados Térmicos pelo Método de Pulso a Laser

ISO-DIS 18555 2014 Revestimentos Metálicos e Outros Inorgânicos - Determinação da Condutividade Térmica de Revestimentos de Barreira Térmica

ISO-FDIS18755-2004 Cerâmica Refinada (Cerâmica Avançada, Cerâmica de Tecnologia Avançada) - Determinação da Difusividade Térmica de Folhas Cerâmicas pelo Método Laser Flash

ISO 22007-2-2008 Plastics - Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity - Part 2: Transient planar heat source method

3,Método quase estacionário

ASTME2584-07 Prática padrão para medir a condutividade térmica de materiais usando um calorímetro de capacidade térmica (tipo de inserção)