Moldflow材料性能测试之一热性能
一直以来, 大家在使用Moldflow分析过程中，都会看到材料的常见物性：热性能，机械性能、PVT曲线，粘度、收缩属性等等。但是这些性能是怎么测量出来的，它们对Moldflow分析有何影响，并不是很清楚。
从本期开始，我们给大家提供一系列材料性能测试的介绍，本次的主题是Moldflow材料性能测试之一热性能。
高聚物最基本的热学性能是热膨胀、比热容、热导率，其数值随状态（如玻璃态、结晶态等）和温度而变，并与制品的加工和应用有密切关系。高聚物的热学性能受温度的影响比金属、无机材料大，常见的高聚物、金属、玻璃的热学性能比较见表
Moldflow材料属性的热性能是指比热容，热导率。如下图所示
1. 热导率K
1.1 热导率又称为热传导率（Thermal Conductivity）：
材料直接传导热量的能力称为热传导率。热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量。热导率的单位为瓦每米每开尔文。
其中A是导热体的横截面积，∆Q/∆t是单位时间内传导的热量，x是两热源间导热体的厚度，∆T则是温度差。
导热系数与材料的组成、结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率低、温度较低时，导热系数较小。
从热传导公式可以知道：高的热传导率意味着较好的热能传递性能和或者较差的绝热性能。H=-kA dT/dx其中H是热流率，K是热传导率，A是热传导截面积，dT/dx：温度梯度
热传导性能用于流动和冷却分析，在成型阶段熔体快速流入冷的型腔，材料的温度梯度很大，热传导率决定了多少热量流过。
1.2 热传导率可以准确的模拟：
冷却速率、熔体流动温度、冷凝层厚度、热传导。
热扩散系数取决于热传导率，密度和比热容：a = k / (r x Cp ) 。它使用在Moldflow软件的热和物质传递方程中。
下面图表展示了热传导率对充填压力的敏感性：
从图表可知：
- 提高热传导率会增加注射压力
- 温度敏感的材料对热传导率更敏感
- 充填时间越长，影响压力越大
1.3 Moldflow热传导率测试方法：
ASTM D 5930 Line source method
测试流程：
- 先把线热源探针伸入柱体样本
- 从热平衡状态，一定量的热能通过样本和探针
- 周围熔体的热传导率直接影响探针的温度升高速率
因而，通过分析温度与时间的斜率，可以计算出周围熔体的热传导率。
其中c是探针常数，Q是热流量。
Moldflow中典型的热性能参数：
下图为结晶材料的热传导率随温度变化的曲线：
下图为无定型材料的热传导率随温度变化的曲线：
对比二者的曲线会发现：结晶型材料的热传导率在熔点附近有较大波动，无定型材料则不明显。
2. 比热(specific heat)
2.1 比热是单位质量的某种物质，在温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比。比热容是表示物质热性质的物理量。通常用符号c表示。比热容与物质的状态和物质的种类有关。它是衡量材料把热量转换成实际温度增加的能力。
比热用于流动和冷却分析，可以确定转变温度(Ttrans)和顶出温度(Teject)。
2.2 比热可以准确的模拟：冷却速率、熔体流动温度、冷凝层厚度、热传导。
热扩散系数和剪切热影响：冷却速率、冷凝层厚度、熔体温度、粘度、收缩和翘曲。
2.3 Moldflow比热测试方法：差示扫描量热法Differential Scanning Calorimeter (DSC)
在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差（如以热的形式）与温度的关系。差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线，它以样品吸热或放热的速率，即热流率dH/dt（单位毫焦/秒）为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，可以测定多种热力学和动力学参数，例如比热容、反应热、转变热、相图、反应速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品纯度等。
2.3.1 测试标准：
● ASTM E1269 – DSC比热
● ASTM D3417 – DSC高聚物融合与结晶的热焓
● ASTM D3418 – DSC转变温度
2.3.2测试设备：Perkin-Elmer Diamond DSC (USA)
2.3.4测试流程：
- 样品从最高加工温度冷却到30oC，冷却速率为20oC/分钟
- 测量参考盘与样品盘的热流差
- 手动选点来拟合曲线:
- 用Pyris软件选择转变温度和顶出温度
Moldflow材料库中的数据，大部分是单点数据，只有约30%的是多点数据。由于多点数据考虑了不同温度对热传导率和比热的影响，分析结果更准确。
