热传导学习课件.pptx

本小节内容本小节内容q 热传导的基本概念和定律热传导的基本概念和定律q 固体材料热传导的微观机理固体材料热传导的微观机理q 金属材料热导率的一般规律金属材料热导率的一般规律q 影响无机材料热导率的因素影响无机材料热导率的因素q 实测无机材料的热导率实测无机材料的热导率第1页/共24页一、热传导的基本概念和定律一、热传导的基本概念和定律 当固体材料两端存在温度差时，热量会自动地从热端传向冷端的现象，称为热传导(Thermal conduction)。式中：热导率或导热系数，单位Wm-1K-1。1.傅立叶定律和热导率 流过与热流垂直的某一面元的热量，与面元的面积、时间和该处的温度梯度成正比：物理意义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位横截面的热量。反映了材料的导热能力。或第2页/共24页 傅立叶定律的适用条件为稳定传热过程，即物体内温度分布不随时间而变化。不同材料的导热能力有很大的差异，与非金属相比，金属为热的良导体，而气体为热的绝缘体。通常将0.22 Wm-1K-1的材料称为隔热材料。金属非金属气体不同材料常温下的热导率(Wm-1K-1)第3页/共24页2.热扩散率（导温系数）在不稳定热传导过程中，材料内经历着热传导的同时还有温度场随时间的变化。热扩散率正是把两者联系起来的物理量，表征材料在温度变化时，材料内部温度趋于均匀的能力。在相同加热或冷却条件下，越大，物体各处的温差越小。(m2s-1)式中：、cp分别为热导率、密度和定压比热容3.热阻和热阻率热阻：表征材料对热传导的阻碍能力大小。热阻越大，材料的导热能力越差。热阻率与热导率具有互为倒数关系：第4页/共24页二、固体材料热传导的微观机理二、固体材料热传导的微观机理 热传导过程就是材料内部的能量传输过程。不同材料的导热机构不同，固体中的导热主要由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现。导热机制固体材料及条件电子热导声子热导光子热导纯金属合金或半导体绝缘体极高温第5页/共24页1.电子热导 金属中大量的自由电子可视为自由电子气，从而可以借用理想气体的热导率公式来描述自由电子的热导率，表达式为：自由电子的比热容越大，则电子从高温区向低温区运动时，携带的能量越多；电子的运动速度越高，则单位时间内有更多的电子通过所考虑的截面；电子的平均自由程是电子在运动中相邻两次碰撞的平均距离。代入自由电子气的相关数据，得自由电子的导热系数为：式中：ce为自由电子比热容、ve为自由电子运动速度、le为电子运动平均自由程式中：n为单位体积内自由电子数，F为自由电子弛豫时间。第6页/共24页2.声子热导从晶格格波的声子理论可知，声子热传导过程-声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程。声子热传导可视为声子声子碰撞的结果，同样可以借用理想气体热导率公式来处理声子热传导问题：热容c在高温时接近常数，在低温时随T3变化；声子速度v仅与晶体密度和弹性力学性质有关，可视为一常数。主要讨论影响声子的自由程 l 的因素。式中：c为单位体积中声子的比热、v为声子的运动速度、l为声子的平均自由程。第7页/共24页对于声子热导而言，热阻来源于声子扩散过程中的各种散射。影响热传导性质的声子散射主要有四种机构：（1）声子的碰撞过程 声子间碰撞概率越大，平均自由程越小，热导率越低。声子的平均自由程随温度升高而降低：低温下l值的上限为晶粒的线度；高温下l值的下限为几个晶格间距。（2）点缺陷的散射 散射强弱与点缺陷的大小和声子波长的相对大小有关。在低温时，为长波，波长比点缺陷大的多，犹如光线照射微粒一样，平均自由程与T4成反比；在高温时，波长和点缺陷大小相近，平均自由程为一常数。（3）晶界的散射 晶界散射和晶粒的直径d成反比，平均自由程与d成正比。（4）位错的散射 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。第8页/共24页c声子碰撞l点缺陷l晶界l 位错l低温 T3 exp(D/2T)T-4 d T-2 T3exp(D/2T)T-1 dT3 T高温 常数 exp(D/2T)常数(晶格常数)T-2 exp(D/2T)常数 T-2导热系数与温度的关系第9页/共24页3.光子热导（辐射传热）固体中的分子、原子和电子 电磁波（光子）振动、转动电磁波覆盖了一个较宽的频谱。其中具有较强热效应的在可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。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。光子的导热过程光子的导热过程-光子在介质中的传播过程。光子在介质中的传播过程。辐射能的传递能力：辐射能的传递能力：式中：斯蒂芬-波尔兹曼常数（5.6710-8W/(m2K4)）；n折射率；lr光子的平均自由程。第10页/共24页固体中辐射传热过程的定性解释：吸收辐射热稳定状态热稳定状态T1T2能量转移对于完全不透明的介质，lr=0，辐射传热可以忽略。对于辐射线是不透明的介质，热阻大，lr很小，大多数陶瓷，一些耐火材料在1773 K高温下辐射才明显；对于辐射线是透明的介质，热阻小，lr较大，如：单晶、玻璃，在773-1273 K辐射传热已很明显；第11页/共24页三、热导率的一般规律魏得曼三、热导率的一般规律魏得曼-弗兰兹定律弗兰兹定律 室温下，许多金属的热导率与电导率之比（/）几乎相同，而不随金属不同而改变。导电性好的材料，其导热性也好。洛伦兹进一步发现：比值/与温度T成正比，该比例常数L为洛伦兹数，即：实际上，不同金属的L值有些差别，对于合金差异则更大。参见课本P42表1.5第12页/共24页四、影响无机材料热导率的因素四、影响无机材料热导率的因素1.温度的影响温度不太高的范围内，主要是声子传导，热导率如下式：平均自由程l随着温度升高而降低。实验指出，l值随温度的变化规律是：低温下l值的上限为晶粒的线度；高温下l值的下限为几个晶格间距。热容c在低温下与T3成比例，超过德拜温度时便趋于一恒定值。速度v通常可看作是常数。第13页/共24页Example for illustrating the effect of temperature on thermal conduction温度很低时，声子的平均自由程l基本无多大变化，处于上限值（晶粒尺寸），主要是热容c对热导率有贡献。近似与T3成比例地变化。40 K 1600 K exp(D/2T)热辐射氧化铝单晶的热导率随温度的变化T3 在更高的温度，c已基本无变化，l值也逐渐趋于下限，所以随温度的变化又变得缓和。在达到1600 K的高温后，值有少许回升，这是高温时辐射传热的贡献。温度继续升高，c随温度T的变化不再与T3成比例，并在德拜温度以后趋于一恒定值。而l值因温度升高而减小，成了主要影响因素。因此，值随温度升高而迅速减小。这样，在某个低温处(40 K)，值出现极大值。第14页/共24页2.化学组成的影响 不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。这是因为构成晶体的质点的大小、性质不同，它们的晶格振动状态不同，传导热量的能力也就不同。质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率愈大。轻元素的固体和结合能大的固体，热导率较大。如金刚石的1.710-2 W/(mK)，比较重的硅、锗的高（Si、Ge的分别为1.010-2和0.510-2 W/(mK)）。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。第15页/共24页 固溶体的形成降低热导率，而且取代元素的质量和大小与基质元素相差愈大，取代后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。在杂质浓度很低时，杂质效应十分显著。所以在接近纯MgO或纯NiO处，杂质含量稍有增加，值迅速下降。随着杂质含量的增加，这个效应不断减弱。杂质效应在473 K比1273 K要强。若低于室温，杂质效应会更强烈。固溶体MgO-NiO的热导率第16页/共24页3.结构的影响 结晶构造的影响。晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大，格波受到的散射愈大。因此，声子平均自由程较小，热导率较低。例如：镁铝尖晶石的热导率比A12O3和MgO的热导率都低。莫来石的结构更复杂，所以热导率比尖晶石还低得多。各向异性晶体的热导率。非等轴晶系晶体的热导率呈各向异性。温度升高时，不同方向的热导率差异减小。这是因为温度升高，晶体的结构总是趋于更好的对称。例如：石英、金红石、石墨等都是在膨胀系数低的方向热导率最大。第17页/共24页 多晶体与单晶体的热导率。对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶小。多晶体中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以热导率小。原因随温度升高，多晶体与单晶体热导率的差异变大。几种无机材料单晶和多晶的-T关系第18页/共24页 玻璃具有近程有序、远程无序的结构。近似地把它当作由直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的“晶体”。可以用声子导热的机构来描述玻璃的导热行为和规律。声子的平均自由程由低温下的晶粒直径大小变化到高温下的几个晶格间距的大小。因此，对于晶粒极细的玻璃来说，它的声子平均自由程在不同温度将基本上是常数，其值近似等于几个晶格间距。玻璃的热导率主要由热容与温度的关系决定，在较高温度以上则需考虑光子导热的贡献。非晶体的热导率。第19页/共24页a、在中低温(400-600 K)以下，光子导热的贡献可忽略。温度升高，热容增大，玻璃的热导率不断上升。600900 K 0 T(K)400600 Kb、从中温到较高温度(600-900 K)，随着温度的不断升高，声子热容不再增大，逐渐为一常数，但此时光子导热开始增加，玻璃的T曲线开始上扬。c、温度高于900 K，光子热导率随温度升高而急剧增大，因此曲线急剧上扬。三个阶段非晶体热导率曲线非晶体材料不透明的情况第20页/共24页4.复相陶瓷的热导率 常见陶瓷材料的典型微观结构是分散相均匀地分散在连续相中，例如，晶相分散在连续的玻璃相中。这种类型陶瓷材料的热导率可按下式计算：式中：c、d分别为连续相和分散相的热导率，Vd为分散相的体积分数。在无机材料中，一般玻璃相是连续相，因此，普通的瓷和粘土制品的热导率更接近其成分中玻璃相的热导率。第21页/共24页5.气孔率的影响(1)当温度不很高（一般500），气孔率不大，气孔尺寸很小又均匀分散在陶瓷介质中时（气孔可看为分散相），与固相相比，气相的热导率近似为零，有：陶瓷固相热导率气孔的体积分数(2)当温度高于500 时，要考虑气孔的辐射传热；(3)当材料内孔洞很大，且有一定贯穿性，易产生对流传热。在不改变结构状态下，气孔率增大导致热导率降低。刚玉和莫来石1000 下热导率与孔隙率的关系第22页/共24页五、实测无机材料的热导率五、实测无机材料的热导率某些无机材料的热导率 通常，低温时有较高热导率的材料，随温度升高，热导率降低；而具有低热导率的材料正好相反。经验公式BeO,Al2O3和MgO：玻璃体：粘土质耐火砖和保温砖：第23页/共24页感谢您的观看！第24页/共24页