ICS 65.020.40 B 61 DB32 江 苏 省 地 方 标 准 DB32/T 3596—2019 石墨烯材料 热扩散系数及导热系数的测定 闪光法 Graphene materials Determination of thermal diffusivity and thermal conductivity Flash method 2019 - 04 - 08 发布 江苏省市场监督管理局 2019 - 04 -30 实施 发 布 DB32/T 3596—2019 前 言 本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。 本标准由江苏省特种设备安全监督检验研究院（国家石墨烯产品质量监督检验中心（江苏））提出。 本标准由江苏省石墨烯检测技术标准化技术委员会归口。 本标准起草单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院（国家石墨烯产品质量监督检验中心（江 苏））、泰州巨纳新能源有限公司、无锡智润检测科技发展有限公司、无锡市质量和标准化研究中心、 耐驰科学仪器（商贸）有限公司、河海大学、无锡市惠诚石墨烯技术应用有限公司、无锡杰纳森科技有 限公司、无锡朴道园农业科技有限公司。 本标准起草人：王勤生、金玲、刘峥、区炳显、梁铮、李佳、周延、黄华杰、屈晓兰、丁荣、秦 继恩、梁如江。 I DB32/T 3596—2019 石墨烯材料 热扩散系数及导热系数的测定 闪光法 1 范围 本标准规定了闪光法测定石墨烯材料热扩散系数的方法及导热系数的计算方法。 -7 2 -3 2 本标准适用于测试温度在20 ℃～400 ℃范围内、热扩散系数在10 m /s～10 m /s范围内，石墨 烯材料及其复合材料薄膜的热扩散系数的测试和导热系数的计算。 2 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/T 19466.4－2016 塑料 差示扫描量热法(DSC) 第4部分：比热容的测定 GB/T 22588－2008 闪光法测量热扩散系数或导热系数 GB/T 24586－2009 铁矿石表观密度、真密度和孔隙率的测定 3 术语、定义和符号 3.1 热扩散系数 thermal diffusivity 2 表征物体被加热或冷却时，物体内部各部分温度趋于均匀一致的能力。单位为平方米每秒（m /s）。 3.2 导热系数 thermal conductivity 单位时间内在单位温度梯度下沿热流方向通过材料单位面积传递的热量。单位为瓦每米开尔文 [W/(m  K)]。 3.3 本标准采用的相关符号及其单位 L——试样的厚度，单位为米（m）； t1/2——半升温时间，即背面温度升高至最大值一半的时间，单位为秒（s）； Cp ——比热容，单位为焦每千克开尔文[J/（kg  K）]； 3 ρ——密度，单位为千克每立方米（kg/m ）； 2 α——热扩散系数，单位为平方米每秒（m /s）； λ——导热系数，单位为瓦每米开尔文[W/(m  K)] ； t——响应时间，单位为秒（s）； T——温度，单位为开尔文（K）； β——达到最高强度所需的脉冲持续时间分数； K1,K2——基于β的常数； 1 DB32/T 3596—2019 △t5——T(5t1/2)/ T(t1/2) △t10——T(10t1/2)/ T(t1/2) △Tmax——最高温度与基线的差值，单位为开尔文（K）；  ——脉冲持续时间； x——上升百分比； R——比率。 4 测量原理 4.1 热扩散系数 在绝热状态和一定温度下，激光源在瞬间发射一束脉冲，均匀照射在试样的下表面，使其表层吸收 能量后温度瞬时升高。此表面作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。用红外检测器 连续测量试样上表面中心部位的相应升温过程，得到温度T随时间t的变化关系及试样上表面温度升高到 最大值TM的一半时所需要的时间t1/2（半升温时间），根据Fourier传热方程计算材料的热扩散系数，见 式（1）。   0.13879L2 / t1 / 2 .................................. (1) 4.2 导热系数 根据热扩散系数、密度及比热容可按式（2）计算试样的导热系数λ。     C p   .................................... (2) 5 仪器 5.1 激光闪光热扩散系数测试仪：主要由激光发射光源、试样加热装置、数据采集记录装置和信号探 测器组成。 5.2 闪光源：激光脉冲、闪光灯或者其他能形成短周期高能量脉冲的装置。能量脉冲周期应小于 t1/2 的 2 %。 5.3 环境控制设备：非温室条件下的测试，需配置环境控制设备，使试样温度达到所要求的温度。温 度控制精度为 0.1 ℃。 5.4 检测器：对微小温度变化能够提供线性电信号输出的器件，且能够探测到试样初始温度 0.05 ℃ 以上的改变。测温元件应与样品支架紧密接触或固定在样品支架上。测温元件不应与试样接触，更不允 许嵌入到试样中。 5.5 信号处理装置：包括读取试样温度与环境温度之差的电子回路、脉冲峰过滤器、扩大器和模拟数字变换器。 5.6 数据采集及记录系统：数据采集系统的采集频率应小于 t1/2 的 1 %。 6 试样制备 6.1 试样接受脉冲能量辐射表面积比能量束斑小。法向测试典型的试样直径为 6 mm～24.5 mm，试样 厚度 0.1 mm～3 mm，横向测试试样为 25.4 mm 片径的圆形，试样厚度 0.01 mm～1 mm。若采用其他试样 尺寸，最小长度与厚度的比值不低于 3。 2 DB32/T 3596—2019 6.2 试样要求有两个平行平面，制备试样的平整度要求参照 GB/T 22588－2008 中 8.3 部分。 6.3 取样方式：推荐将试样均匀分为四个取样区域，如图 1 所示，在每个测试区域选择不少于 1 个取 样点制样。 注：对于透光或反光试样，需蒸镀或喷涂不透光涂层。 图1 样品取样区域示意图 7 测试步骤 7.1 热扩散系数测试 7.1.1 测量试样厚度，测试方法参见 GB/T 22588－2008 中 10.3.1 部分。 7.1.2 仪器准备：开机预热稳定半小时以上。 7.1.3 试样安装：试样、试样支架、脉冲激光三者同轴。 7.1.4 测试温度高于 100 ℃时需抽真空或通惰性气体。 7.1.5 设置参数：输入厚度等参数，选择支架、设置激光电压、脉冲宽度、增益时间等参数，闪射点 个数不少于 5 个，设置测量温度，开始测量。 7.1.6 脉冲宽度小于半升温时间 t1/2 的 2 %，信号高度控制在 1 V～10 V 范围内，采样时间控制为 t1/2 的 10～12 倍。厚度小于 0.1 mm 的试样，测试横向热扩散系数时，减小脉冲宽度的条件下，信号高度控 制在 1 V±0.2 V。 7.1.7 得到有效的升温曲线。 注：如只测试热扩散系数，无需进行以下测试步骤。 7.2 比热容测试 测试方法参见GB/T 19466.4－2016中连续升温扫描法。 7.3 密度测试 试样真密度测试质量不少于20 mg，测试步骤参见GB/T 24586－2009中4.1～4.5。 8 数据处理 8.1 热扩散系数计算 8.1.1 确定基线和最高升温，得出温度变化△Tmax，确定半升温时间 t1/2，根据式（1）计算出未修正的 热扩散系数。 注：理想情况下，不同特征温度T（x%）计算得到的α值都应该是相同的。如果百分比升温时间即x（%）为25%、50%、 75%时计算的α值误差控制在±2%以内，那么在半升温时间处测试的整体误差将在±5%以内。如果α值在此范围 3 DB32/T 3596—2019 之外，则应对相应曲线进行分析，确定是否存在热辐射损失、有限脉冲时间或者非均匀加热效应。测量的有效 性和修正方法理论部分见附录A。 8.1.2 法向热扩散系数：较薄（小于 2 mm）且测试温度较低（低于 300 ℃）的样品用 Cowan 模型+脉 冲宽度修正；相对较厚（大于等于 2 mm）的样品或测试温度较高情况下（大于等于 300 ℃）用 Cape-Lehman 模型+脉冲宽度修正，得到法向热扩散系数。 8.1.3 横向热扩散系数：各向异性的样品选择 In-plane 模型+各向异性+热损耗修正，各向同性的样品 用 In-plane 模型+各向同性+热损耗修正，得到法向热扩散系数。对于特别薄的样品（厚度≤ 100 μm）， 由于水平传热时间极短，可以用各向同性替代各向异性。 8.2 导热系数 根据式（2），计算导热系数值。 9 精密度 一般采用数据采集和数据分析方法获得试验数据。更完善的数据采集和数据分析方法可以显著改善 结果的准确度。热扩散系数测定的精密度结果见表1。 表1 热扩散系数测定的精密度 方向 相对（r）/% 相对（R）/% 法向 ≤5.0 ≤5.0 横向 ≤8.0 ≤8.0 注1：r=重复性，热扩散系数单位； 注2：（r）=重复性，百分比（相对）； 注3： R=再现性，热扩散系数单位； 注4：（R）=再现性，百分比（相对）。 上述精度水平并不意味着试样的比热容和导热系数也可达到相同的水平，需要输入其他参数后才能 得出其偏差。 10 报告 10.1 报告包括但不限于以下信息： a) 试样标识； b) 试样厚度，m 或 mm； c) 试样预处理情况； d) 试验温度，℃； e) 标明对热损失和有限脉冲时间效应的修正方法； f) 测试的方向：法向或横向； 2 2 g) 试验温度下，计算 x=50%时的热扩散系数，m /s 或 mm /s； h) 每个试样片及每个温度点下重复测试的结果； i) 仪器的品牌型号和检测器类型； j) 环境温度、湿度； k) 测试日期； 4 DB32/T 3596—2019 试验过程中出现的异常现象； 10.2 如需提供导热系数数值，还应提供以下内容： a) 比热容，J/（kg  K）； 3 b) 密度，kg/m ； c) 采用本文本外方法获得比热容值或密度值应在报告中注明； d) 导热系数值，W/(m  K)； e) 热扩散系数和导热系数结果保留小数点后两位数字。 l) 5 DB32/T 3596—2019 AA 附 录 A （资料性附录） 热扩散系数的修正方法 A.1 理想情况下 A.1.1 法向测试 理想情况下，脉冲方法的物理模型建立在绝热（隔离热交换）的板状材料的热性能上，在恒定温度 下，其正面受到一个瞬间能量脉冲作用，其模型假设如下： a) 一维热流； b) 板表面没有热损失； c) 正面均匀吸收脉