1.4材料的热传导(材料物理性能).ppt

主要用于衡量材料的绝热性能和导热性能，在热能工程、制冷技术、工 业炉设计、工件加热和冷却、房屋采暖与空调、燃气轮机叶片等一系列 技术领域中，有着重要的应用意义热传导在实际工作中有哪些应用？1.热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量自动地 从热端传向冷端的现象称为热传导 2.稳定传热状态传热公式 稳定传热：传热过程中，材料在x方向上各处的温度T是恒定 的，与时间无关,△Q/△t是常数一、固体材料热传导的宏观规律假如固体材料垂直于x轴方向的截面积为△S，材料沿x轴 方向的温度变化率为dT/dx，在△t时间内沿x轴正方向传过 △S截面上的热量为△Q，对于各向同性的物质，传热公式为 ：式中的常数λ称为热导率(或导热系数)， dT/dx称作x方向 上的温度梯度：每单位长度的温度变化傅里叶定律，只适用于 稳定传热的条件稳定传热公式：式中：ρ为密度，cP为恒压热容T1小 具有: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数T大具有: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数声子的热传导平衡时： 同样多的振动模式振 同样多的振动振幅 同样多的声子被激发 同样多的声子数dT/dx(温度梯度）Q= -λdT/dx（能流密度）J/s.cm2单位时间内，通过单位面积的热能.λ------晶体的热导系数J/s.cm℃作用于产生晶体光子,电子,声子Ø 金属中：金属中有大量的自由电子，电子的质量很轻，能 迅速地实现热量的传递。

因此，金属一般都具有较大的热导 率虽然晶格振动对金属导热也有贡献，只是很次要的固体材料的热传导主要是由晶格振动的格波（声子）来 实现的高温时还可能有光子传热金属材料中主要是电 子热传导Ø 非金属晶体中：在非金属晶体以晶格振动为主要的导热机 构，晶格振动的格波又分为声频支河光频支由于质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强质点 的影响下，振动加剧，热运动能量增加热量就能转移和传递，使整个晶体中热量从温度较高处传向 温度较低处，产生热传导现象从微观导热过程中，可以看到热量是由晶格振动的格波 来传递的格波可分为声频支和光频支两类，下面我们就这 两类格波的影响分别进行讨论将上述结果移植到晶体材料中，可导出声子碰撞传热的 同样公式C：单位体积气体分子的比热------单位体积中声子的比热；v ：气体分子的运动速度------声子的运动速度；l：气体分子的平均自由程-----声子的平均自由程平均自由程：声子两次碰撞走过的路程称为声子自由程lC在高温时，接近常数，在低温时它随T 3变化；声速v 为一常数主要讨论影响声子的自由程 l 的因素l声子间碰撞过程声子间碰撞使声子的平均自由程减小：在很多晶体中晶 格热振动并是非线性的，晶格质点间存在耦合作用，声子间 会产生碰撞，使声子的平均自由程减小。

格波间相互作用愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应 的平均自由程愈小，热导率也就愈低声子间碰撞引起的散射的晶格是热阻的主要来源a) Kn =0形成新声子的动量方向和原 来两个声子的方向相一致， 此时无多大的热阻正规过程ħ q1 + ħ q2 =ħ q 3+ħKn或 ħ q1 + ħ q2－ ħKn =ħ q 3声子的碰撞过程q1q2q3(b) q1 ，q2相当大时，Kn 0，碰撞后，发生方向反转，从而 破坏了热流方向产生较大的热 阻翻转过程（声子碰撞）Knq1 + q2 q2q1 q 3声子碰撞的几率：exp(-D/2T) 即温度越高，声子间的碰撞频率越高，则声 子的平均自由程越短晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起格波的散 射，也等效于声子平均自由程的减小，从而降低热导率散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关qTØ 低温时，为长波，波长比点缺陷大的多，估计 ： 波长 D a/T，波长长的格波容易绕过缺陷， 使自由程加大,所以频率υ小时，波长长，平均自 由程l大，散射小，因之热导率大在低温时， 最长的平均自由程长达晶粒的尺度Ø 高温时，声子的波长和点缺陷大小相近似，点 缺陷引起的热阻与温度无关。

平均自由程为一常 数在高温下，最小的平均自由程等于几个晶格 间距.l点缺陷的散射不同频率的格波，波长不同 ：在位错附近有应力场存在，引起声子的散射，其散射与T2 成正比平均自由程与T2成反比l晶界散射声子的平均自由程随温度降低而增长，增大到 晶粒 大小时为止，即为一常数晶界散射和晶粒的直径d成反比，平均自由程与d成正比 l位错的散射Cv声子 碰撞l点缺陷l晶界l 位错l低温lT3 l  exp(D/2T) lT -4ldl1/ T2λ T3 exp(D/2T)T -1d T3 T高温常数exp(D/2T)常数(晶格常数 )1/ T2λ exp(D/2T)常数导热系数与温度的关系具有较强热效应的电磁波在波长在0.4-40μm间可见光与部 分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线2）热辐射：热射线的传递过程-----热辐射热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过程类似 ，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射3）光子导热:光子在介质中的传播过程-----光子的导热过 程辐射吸收热稳定状态辐射源T1T2能量转移Ø 热传导过程：当介质中存在温度梯度时，相邻体积间温度高 的体积元辐射的能量大，吸收的能量小；温度较低的体积元 正好相反，吸收的能量大于辐射的，因此，产生能量的转移 ，整个介质中热量从高温处向低温处传递。

Ø 传热体：体积元既能辐射出一定频率的射线，也能吸收类似 的射线辐射传热过程Ø 热稳定状态：介质中任一体积元平均辐射的能量与平均吸收 的能量相等l固体中的辐射传热的热导率计算过程辐射能量辐射能量与温度的四次方成正比σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数(为5. 67×10-8W/(m2．K4),n是折射率 ，υ是光速(3 ×1010cm/s)6) 传导率5)容积热容lr： 辐射线光子的 平均自由程lr： 是辐射线光子的平均自由程 Ø 对于辐射线是透明的介质，热阻很小， lr较大，如：单晶、 玻璃，在773---1273K辐射传热已很明显；Ø 对于辐射线不透明的介质， lr很小；大多数陶瓷，一些耐火 材料在1773K高温下辐射明显；Ø 对于完全不透明的介质，lr =0，在这种介质中，辐射传热可 以忽略 8）光子的平均自由程lr•介质的影响：Ø 吸收系数小的透明材料，当温度为几百度(℃)时，光辐射 是主要的；Ø 吸收系数大的不透明材料，即使在高温时光子传导也不 重要Ø 在非金属材料中，主要是光子的散射使得lr比玻璃和单晶 都小只是在1500℃以上，光子传导才是主要的•光子的吸收和散射则影响热导率的因素即为公式中的参数：v： v是声子平均速度，是常数，只有在温度较高时，由于介质的 结构松驰而蠕变，使介质的弹性模量迅速下降，v减小。

c： c是声子的体积热容，热容c在低温下与T3成比例，在超过德拜 温度便趋于一恒定值l：声子平均自由程l随着温度升高而降低在温度不太高的范围内，主要是声子传导，热导率1.温度的影响T3 40K 1600K exp(D/2T)热辐射氧化铝单晶的热导率随温度的变化0 400 800 1200 1600 200010.10.010.0010.0001Pt石墨SiC粘土耐火砖SiO2玻璃粉末MgO28000F隔热砖 20000F隔热砖MgOAl2O3ZrO2温度(0C)BeO热传导系数(卡/秒·厘米·0C)物质组分原子量之 差越小，质点的原子量 越小，密度越小 德 拜温度越大，结合能大热传导系数越大2.化学组成的影响Ø 质点的原子量愈小，密度愈小，德拜温度愈高，则热导 率愈大 Ø 线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动 引起晶格偏离谐振程度 越大，热阻越大 1）原子量与λ的关系u单质具有较大的导热系数金刚石的热传导系数比任何 其他材料都大，常用于固体 器件的基片。

例如；GaAs激光器做在上面，能输出大功率u较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具 有较高的热传导系数，如: BeO,SiC λ5 10 30 100 300原子量UC SiBeBMgAlZnNiTh碳化物氧化物CaTiu晶体是置换型固溶体 ，非计量化合物时，热 传导系数降低0 20 40 60 80 100MgO 体积分数 NiO热传导系数(卡/秒厘米0C 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06u化学组成复杂的固体 具有小的热传导系数如MgO,Al2O3和MgAl2O4 结构一样，而MgAl2O4 的热传导系数低， 2Al2O33SiO2莫来石比尖 晶石更小.非晶体 晶体与非晶体0 T(K)400－600K600－900K0 T(K) ··说明：  非晶体的声子导热系数 在所有温度下都比晶体小；  两者在高温下比较接近；  两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。

玻璃的导热主要由热容与温度的关系决定，在更高温度以上则需考虑光子导热的贡献非晶体导热系数曲线导热系数曲线 出现一条与横坐标 接近平行的直线， 相当于图中的Fg段 如果考虑此时 光子导热在总的导 热中的贡献已开始 增大，则为图中的 Fg′段③高温以上(超过 900K):随着温度的进一 步升高，声子导热变化 仍不大，相当于图中的 gh段由于光子的平均自由 程明显增大，光子导热 系数λr 将随温度的三次 方增大相当于图中的 g′h′段 非晶体导热系数曲线晶体和非晶体材料的导热系数曲线几种不同组分玻璃的导热 系数曲线1.钠玻璃；2.熔融SiO2； 3．耐热玻璃；4．铅玻璃体积分数较小相为连续 相（如液相）两相材料的相分布模型层状模型体积分数较大的相为 连续相 取决于每一相的热导率和热流方向：u热流的方向平行于各层，两相的温度梯度相同，则平行系统 的热阻率的倒数等于各层热阻率的倒数之和：λ=V1 λ1+V2 λ2u当两相的热导率相差很大时，热主要由传热较好的相传递 ：λ=V1 λ1u当热流方向与平行层垂直时，通过所有各层的热流密度相同 ，但每一相中的温度梯度不同，总热阻率由各项热阻率的加权 平均给出，即1 /λ=V1 /λ1+V2/ λ2系统的热导率几乎只取决于导热较差的相，当第一相导热差时 ：1 /λ=V1 /λ1 1－V11－(λ2 / λ1) (2λ2 / λ1)+11+2V11－(λ2 / λ1)(2λ2 / λ1)+11－V1λ= λ2λ2 / λ1>>11－V11+V1/2λ= λ2λ2 / λ1<<11+2V1λ= λ21．A12O3，BeO和MgO等的λ随温度变化的经验公式2．玻璃体的λ随温度变化的经验公式高于773K，其经验方程式如下: 3．某些建筑材料、粘土质耐火砖以及保温砖等的λ随温度变 化的经验公式四．工程材料的热导率T是热力学温度(K)；A是常数λ=λ0(1+bt)λ=cT+dc,d为常数。