ПНСТ 546-2021. Предварительный стандарт Российской Федерации. Материалы электроизоляционные. Метод определения теплового сопротивления и теплопроводности
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 21.10.2021 № 41-пнст)
Внимание
Документ утратил силу с 01.07.2025 в связи с истечением срока действия, установленного Приказом Росстандарта от 21.10.2021 № 41-пнст. Документ введен в действие с 01.07.2022 на период до 01.07.2025 (Приказ Росстандарта от 21.10.2021 № 41-пнст).
Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 октября 2021 г. № 41-пнст
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Electrical insulation materials. Method for determining thermal resistance and thermal conductivity
Срок действия с 1 июля 2022 года до 1 июля 2025 года
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Ассоциацией производителей клеев и герметиков (АПКГ) при участии Общества с ограниченной ответственностью Научно-производственной фирмы «Адгезив» (ООО «НПФ „Адгезив“), Акционерного общества „Композит“ (АО „Композит“)»
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 144 «Строительные материалы и изделия»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 октября 2021 г. № 41-пнст
Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011 (разделы 5 и 6).
Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее, чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: 111141, Москва, ул. Плеханова, д. 7, этаж 3, ком. 39 и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112, Москва, Пресненская набережная, д. 10, стр. 2.
В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты» и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает метод определения теплового сопротивления и теплопроводности электроизоляционных материалов.
Настоящий стандарт распространяется на теплопроводные электроизоляционные однородные и композиционные материалы, в том числе клеи, герметики, мастики, компаунды с коэффициентом теплопроводности от 0,1 до 50 Вт/(м·К).
Настоящий стандарт не распространяется на теплопроводные электроизоляционные жидкие, неотвержденные материалы.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 2789 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики
ГОСТ 6507 Микрометры. Технические условия
ГОСТ 11358 Толщиномеры и стенкомеры индикаторные с ценой деления 0,01 и 0,1 мм. Технические условия
ГОСТ 15150 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды
ГОСТ Р 8.736 Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения
ГОСТ Р 57967-2017 Композиты. Определение теплопроводности твердых тел методом стационарного одномерного теплового потока с охранным нагревателем
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 однородный материал: Материал, плотность и состав которого одинаковы по всему объему и который не имеет границы раздела между обязательным материалом (матрицей) и ее наполнителями, включая отвердитель.
3.2 композиционный материал: Неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, имеющих границу раздела между обязательным материалом (матрицей) и ее наполнителями, включая армирующие наполнители.
Примечание - Матрица и наполнитель образуют единую структуру и действуют совместно, обеспечивая наилучшим образом необходимые свойства конечного изделия по его функциональному назначению.
3.3 средняя температура (поверхности): Усредненная по площади температура.
3.4 теплопроводность \lambda , Вт/(м·К): Скорость теплового потока в устойчивом состоянии через единицу площади на единицу температурного градиента в направлении, перпендикулярном к площади.
3.5 кажущаяся теплопроводность, Вт/(м·К): Коэффициент теплопроводности, измеренный для однородных и композиционных материалов, зависящий от толщины образца.
3.6 тепловое сопротивление R, (К·м2)/Вт: Способность материала препятствовать прохождению теплоты, представляющая собой характеристику, обратную коэффициенту теплопроводности.
3.7 контактное тепловое сопротивление RК Вт/(м·К): Тепловое сопротивление, возникающее в плоскостях контакта между поверхностями образца и поверхностями зажимов прибора.
4 Общие положения
4.1 Настоящий метод испытаний основан на определении теплопроводности и теплового сопротивления через образец материала.
4.2 Настоящий метод испытаний эффективен для получения данных о тепловых свойствах образца материала, на который невозможно установить термопары.
Данный метод испытаний позволяет избежать ошибки с измерениями, связанные с неравномерным давлением, состоянием поверхности.
5 Сущность метода
5.1 Испытуемый образец помещают между двумя массивными металлическими блоками и сжимают (подают нагрузку). После этого на образец с помощью нагревателя подают измеренное количество тепловой энергии. Тепловое сопротивление рассчитывают после измерения температур в стационарном состоянии (когда температура образца становится постоянной).
Для расчета теплопроводности (в том числе кажущейся) используют полученные данные теплового сопротивления и толщину образца.
5.2 Настоящий метод испытаний позволяет определить теплопроводность многослойных образцов материала за счет соединения слоев при отсутствии существенного контактного сопротивления между ними. Наклон кривой графика теплового сопротивления по отношению к суммарной толщине позволяет определить теплопроводность без учета контактного теплового сопротивления.
6 Испытательное оборудование
6.1 Испытательное оборудование и аппаратура, представленные на рисунке 1, предназначены для определения теплового сопротивления и теплопроводности электроизоляционных материалов в соответствии с принципиальными схемами методов испытаний, показанными на рисунках 2, а) и 2, б).
1 — пресс; 2 — датчик нагрузки; 3 — охранный нагреватель; 4 — источник питания; 5 — датчики температуры; 6 — устройство управления, сбора данных и анализа; 7 — образец; 8 — термостат; 9 — изолятор; 10 — холодильник; 11 — нижний измерительный стержень; 12 — датчик измерения перемещения; 13 — верхний измерительный стержень; 14 — нагреватель; 15 — изоляторы; 16 — контроллер
Рисунок 1 — Схема установки с охранным нагревателем для измерения теплового сопротивления
Рисунок 2 — Схема метода одномерного стационарного теплового потока с использованием эталонного образца и охранного нагревателя (а) и использованием охранного нагревателя (б) с указанием возможных мест установки датчиков температуры
Данное оборудование обеспечивает необходимые условия испытаний, позволяет выполнять необходимые измерения, и его следует рассматривать как одно из возможных инженерных решений.
6.2 Оборудование и аппаратура должны соответствовать следующим требованиям:
6.2.1 Устройство управления, сбора данных и анализа (укомплектованное компьютером) 6 предназначено для сбора данных по изменению: толщины образца, которую определяет датчик измерения перемещения 12, давления и температуры в процессе испытаний.
6.2.2 Блок нагревателя, содержащий спиральные или аналогичные проволочные нагреватели, должен быть изготовлен из меди или другого материала с высокой теплопроводностью, и должен быть отделен от окружающего охранного нагревателя слоем теплоизоляционного материала толщиной 5 мм. Блок нагревателя должен отвечать следующим условиям:
- иметь диапазон рабочих температур, соответствующий температурному диапазону испытуемых материалов;
- обеспечивать возможность поддержания температуры испытаний с точностью +/- 0,5 К, как минимум, в течение 30 мин.
Охранный нагреватель, теплоизолированный от пресса, предназначен для:
- исключения тепловых потерь с боковых поверхностей нагревателя;
- поддержания постоянной температуры по всей нижней поверхности нагревателя, что позволяет обеспечить полную передачу энергии в верхний измерительный стержень.
6.2.3 Измерительные стержни (верхний и нижний) должны иметь параллельные рабочие поверхности и быть изготовлены из материала с высокой теплопроводностью.
Измерительные стержни должны отвечать следующим условиям:
Все контактные поверхности должны быть отшлифованы с точностью до 0,4 мкм по ГОСТ 2789, чтобы обеспечить истинную плоскость для измерительных стержней, контактирующих с поверхностью образца.
6.2.4 Эталонный образец должен быть изготовлен из эталонного материала с известным значением теплопроводности. Рекомендуемый материал — аустенитная нержавеющая сталь. Данные по теплопроводности приведены в таблице 4 ГОСТ Р 57967-2017.
Допускается применение других материалов для эталонного образца согласно таблице 1 ГОСТ Р 57967-2017.
Схема метода испытаний, показанная на рисунке 2, а), включающая эталонный образец для определения теплопроводности через испытуемый образец позволяет проводить испытания с большей точностью.
При отсутствии эталонного образца можно проводить испытания без него по схеме, представленной на рисунке 2, б).
Схему метода испытания выбирает пользователь настоящего стандарта.
6.2.5 Холодильник должен быть в виде металлического блока, охлаждаемого жидкостью, поступающей из ванны с постоянной температурой.
Холодильник должен отвечать следующим требованиям:
- обеспечивать поддержание равномерной температуры (на несколько градусов ниже, чем на образце) с точностью +/- 0,2 К;
- диапазон его рабочей температуры должен соответствовать температурному диапазону испытуемых материалов.
6.2.6 Пресс должен передавать необходимое усилие на стенд для испытаний через свободно перемещаемое крепление сферического гнезда для предотвращения смещения нагрузки и неравномерного давления на испытуемый образец.
6.2.7 Изоляционный материал, если используется, представляет собой волокнистое теплоизоляционное покрытие, которое должно обладать следующими свойствами:
- стабильностью в ожидаемом диапазоне температур;
- иметь низкое значение теплопроводности;
- быть простым в применении;
- не проводить электрический ток;
- не загрязнять элементы оборудования.
7 Образцы для испытаний
7.1 Подготовка образцов
Образец для испытаний должен представлять собой тонкий диск с толщиной до 10 мм, полученный, например заливкой в форму клеев, герметиков, мастик, компаундов с последующим их отверждением по режиму материала. Приготовление образцов материалов и их отверждение следует проводить в соответствии с требованиями стандарта или технических условий на конкретный вид материала. Образцы могут быть вырублены с помощью пресса из сплошной пластины из отвержденного полимерного материала. Поверхности образцов должны быть плоскими и параллельными. Любое отклонение толщины образца должно быть менее 1% от средней толщины.
Для определения теплового сопротивления следует подготовить образец из части испытуемого материала с той же площадью (длина и ширина), что и измерительные стержни. Если толщина образца неизвестна, ее следует измерить при температуре окружающей среды по ГОСТ 15150 толщиномером по ГОСТ 11358 с нормированным измерительным усилием, ценой деления шкалы 0,01 мм или микрометром по ГОСТ 6507.
Допускается применение других видов толщиномеров и микрометров, соответствующих указанным требованиям, а также измерять толщину образцов другими способами, не уступающими по своим характеристикам.
Толщину образцов измеряют в разных местах не менее чем в трех точках. За результат измерения принимают среднее арифметическое всех измерений.
7.2 Для определения кажущейся теплопроводности следует подготовить достаточное количество образцов, чтобы обеспечить необходимое количество слоев.
8 Проведение испытаний
8.1 Образец материала помещают в центре между двумя измерительными стержнями в соответствии со схемами 2, а) и 2, б). Эталонный образец, если используется, устанавливают между нижним измерительным стержнем и холодильником.
8.1.1 Испытуемый блок в соответствии со схемой 2, а), включает в себя:
8.1.2 Испытуемый блок в соответствии со схемой 2, б), включает в себя:
8.2 Испытуемый блок помещают под пресс, прикладывают усилие таким образом, чтобы обеспечить давление (3,0 +/- 0,1) МПа в течение всего испытания.
Примечание - Давление 3,0 МПа является достаточным для снижения до незначительного уровня влияния контактного сопротивления между образцом и измерительными стержнями из-за незначительных неровностей поверхности.
8.3 Обеспечивают циркуляцию охлаждающей жидкости и подачу питания на нагревательный элемент. Температуру охранного нагревателя следует поддерживать (в пределах +/- 0,2 К) такую же, как на нагревателе, на верхнем измерительном стержне так и на образце. Испытания проводят в условиях средней температуры образца 323 К (50 °C), которую рассчитывают, как среднее арифметическое температуры на нижней поверхности верхнего измерительного стержня, контактирующей с образцом, и температуры верхней поверхности нижнего измерительного стержня.
8.4 С помощью контроллера и датчика давления (см. рисунок 1, 16, 2) следует контролировать и регулировать прилагаемое усилие в прессе для предотвращения подачи повышенного давления на образец.
8.5 Температуру измерительных стержней и эталонного образца записывают в стационарном режиме.
При отсутствии эталонного образца необходимо записать напряжение и ток, подведенные к нагревателю.
Стационарный режим достигается, когда два последовательных измерения показаний температуры, полученные с 15-минутным интервалом, различаются менее чем на +/- 0,2 К.
8.6 Для определения теплового сопротивления однослойного образца рассчитывают его среднюю температуру.
8.7 Для определения теплового сопротивления многослойного образца поддерживают его среднюю температуру в пределах +/- 2 К от температуры однослойного образца за счет уменьшения теплового потока при увеличении количества слоев.
Примечание - Чем больше слоев материала в образце, тем выше его суммарное термическое сопротивление и ниже суммарный тепловой поток.
9 Обработка результатов испытаний
9.1 Тепловое сопротивление R, (К·м2)/Вт, рассчитывают по формуле
где TA — температура горячей поверхности, контактирующей с образцом, К;
TD — температура холодной поверхности, контактирующей с образцом, К;
Q — скорость теплового потока, Вт.
9.1.1 Скорость теплового потока Q, Вт, с использованием эталонного образца рассчитывают по формуле
Q = \frac{\lambda_{R} \cdot A}{d} \cdot [T_{5} - T_{6}] , (2)
где \lambda_{R} — теплопроводность материала эталонного образца, Вт/(м·К);
A — площадь эталонного образца, м2;
T5 — T6 — разность температур между термопарами в эталонном образце, К;
d — расстояние между термопарами в эталонном образце, м.
9.1.2 Скорость теплового потока Q, Вт, без использования эталонного образца рассчитывают по формуле
где V — электрический потенциал, приложенный к нагревателю, В;
I — электрический ток в нагревателе, А.
9.1.3 Температуру поверхности верхнего измерительного стержня, контактирующего с образцом TA, К, рассчитывают по формуле
T_{A} = T_{2} - \frac{d_{B}}{d_{A}} (T_{1} - T_{2}) , (4)
где T1 — верхняя температура верхнего измерительного стержня, К;
T2 — нижняя температура верхнего измерительного стержня, К;
dA — расстояние между датчиками температуры, м;
dB — расстояние от нижнего датчика до нижней поверхности верхнего измерительного стержня, м.
9.1.4 Температуру поверхности нижнего измерительного стержня, контактирующего с образцом, TD, К, рассчитывают по формуле
T_{D} = T_{3} + \frac{d_{D}}{d_{C}} (T_{3} - T_{4}) , (5)
где T3 — верхняя температура нижнего измерительного стержня, К;
T4 — нижняя температура нижнего измерительного стержня, К;
dC — расстояние между датчиками температуры, м;
dD — расстояние от верхнего датчика до верхней поверхности нижнего измерительного стержня, м.
9.2 Теплопроводность, в том числе кажущуюся, однослойных и многослойных образцов (с учетом их толщины) определяют по графику зависимости теплового сопротивления образца (по оси y) от толщины образца (ось x).
Графическая зависимость представляет собой практически прямую линию, наклон которой является величиной, обратной теплопроводности.
9.3 Точка пересечения при нулевой толщине — контактное тепловое сопротивление (RК) для конкретного образца, зависящее от приложенного усилия зажима и поверхностей зажима.
Наклон и точку пересечения рекомендуется рассчитывать, используя алгоритм метода наименьших квадратов.
10 Протокол испытаний
Протокол с результатами испытаний должен содержать следующую информацию.
10.1 Полную информацию об испытуемом однослойном образце, включая размеры, форму, другую информацию, касающуюся идентификации материала.
10.2 Полную информацию об испытуемом многослойном образце, включая размеры, форму, количество слоев, другую информацию, касающуюся идентификации материала.
10.3 В случае использования эталонного образца необходимо указать материал и значение теплопроводности.
10.4 Среднюю температуру образца, если она отличается от 323 К (50 °C).
10.5 Давление, используемое в испытании, если оно отличается от 3,0 МПа.
10.6 Теплофизические свойства:
тепловое сопротивление по 9.1;
теплопроводность (кажущуюся) по 9.2;
контактное тепловое сопротивление по 9.3.
10.7 Характеристики погрешности измерений и формы их представления — в соответствии с ГОСТ Р 8.736.
| УДК 691.175:006.354 | ОКС 19.020 |
| Ключевые слова: электроизоляционные материалы; однородные материалы; композиционные материалы; теплопроводность; кажущаяся теплопроводность; тепловое сопротивление | |