材料物理（热学）3.ppt

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1、材料物理（材料热学部分）4 4 热导率热导率 MATXMATX结构主板结构主板主要内容主要内容 4.1 4.1 概念概念4.2 4.2 固体材料的导热机制固体材料的导热机制4.3 4.3 影响热导率的因素影响热导率的因素4.4 4.4 复合材料的热导率复合材料的热导率4.5 4.5 高分子材料的热导率高分子材料的热导率4.4.6 6 热导率的测定热导率的测定4.7 4.7 高热导率无机材料高热导率无机材料4.8 4.8 绝热材料绝热材料4.1 4.1 热导率的概念热导率的概念 定义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。固固体体中中的的导导热热主主要要是是由由晶晶格格振振动动的的格

2、格波波和和自自由由电电子子的的运运动动来来实实现现的的。在在高高温温下下，也也可可以以通通过过光光子子来来传传导导热量。热量。电子导热电子导热 光子导热光子导热 声子导热声子导热 4.2 4.2 固体材料的导热机制固体材料的导热机制 电子导热：金属的导热机理 =e+e+p p e e：自由电子分量，自由电子分量，p p声子分量声子分量n n e=L e=L T TL L为洛伦茨常数，为洛伦茨常数，为电导率，为电导率，T T为绝对温度为绝对温度n n p=1/(p=1/(T T2 2+/T)/T)T T2 2表示由于声子对电子散射引起表示由于声子对电子散射引起的热阻，的热阻，/T/T表示由于杂质

3、等对表示由于杂质等对电子散射引起的热阻。电子散射引起的热阻。对于辐射线是透明的介质，热阻很小，自由程较大；对于辐射线是透明的介质，热阻很小，自由程较大；对于辐射线不透明的介质，自由程小；对于辐射线不透明的介质，自由程小；对对于于完完全全不不透透明明的的介介质质，自自由由程程为为零零，在在这这种种介介质质中中，辐射传热可以忽略。辐射传热可以忽略。单单晶晶和和玻玻璃璃对对于于辐辐射射线线是是比比较较透透明明的的，因因此此，在在773-773-12731273K K辐射传热比较明显。辐射传热比较明显。大大多多数数陶陶瓷瓷材材料料是是半半透透明明或或透透明明性性很很差差的的，其其自自由由程程要小很多，

4、因此，在高温下辐射传热才比较明显。要小很多，因此，在高温下辐射传热才比较明显。光子导热光子导热 无机非金属固体材料中的主要导热机制。无机非金属固体材料中的主要导热机制。当当材材料料中中某某一一质质点点处处于于较较高高温温度度，热热振振动动强强烈烈，振振幅幅大大，而而邻邻近近质质点点温温度度低低，振振动动弱弱，由由于于质质点点间间有有相相互互作作用用力力，振振动动较较弱弱的的质质点点在在振振动动较较强强的的质质点点影影响响下下，振振动动加加剧剧，热热振振动动的的能量增加，从而引起热量的转移和传递。能量增加，从而引起热量的转移和传递。声子热导率公式声子热导率公式两个概念：声子与声子自由程两个概念：

5、声子与声子自由程声子导热声子导热 n声子声子：“晶格振动的简正模能量量子。”小知识：声子（小知识：声子（phononphonon）每一种简正振动模式实际上就是一种具有特定频率和波长并沿一定传播方向的弹性波，整个系统相当于由一系列相互独立的谐振子构成。在经典理论中，这些谐振子的能量是连续的，但按照量子力学，能量则必须是量子化的，只能取的整数倍，即n（1/2）（其中为零点能）。这样，相应的能态n就可以认为是由个能量为的“激发量子”相加而成。而这种量子化了的弹性波的最小单位就叫声子。n声子声子的构想，1930年，苏联物理学家塔姆(I.G.Tamm)。n声子声子，1932年，苏联物理学家夫伦克耳(J.

6、Frenkel)，波动力学基础理论一书首次提出。声子声子 n1905年，爱因斯坦，光子的思想n1923年，康普顿效应：光子和电子之间的散射效应n1926年，光子的名称n理论上构造出来，是准粒子理论上构造出来，是准粒子n能量量子能量量子n自旋为零，是玻色子，数目不守恒的自旋为零，是玻色子，数目不守恒的n作为一个概念，可以假设成一种作为一个概念，可以假设成一种“实在实在粒子粒子”应用于解释物理问题。应用于解释物理问题。声子的性质声子的性质 声子自由程：声子两次碰撞之间所走过的距离。声子自由程：声子两次碰撞之间所走过的距离。平均自由程：统计上的声子自由程的平均值。平均自由程：统计上的声子自由程的平均

7、值。由由于于晶晶格格热热振振动动并并非非是是线线性性的的，晶晶格格间间有有一一定定的的耦耦合合作作用用，声声子子间间会会产产生生碰碰撞撞，使使声声子子的的平平均均自自由由程程减减小小，格格波波间间相相互互作作用用越越强强，也也就就是是声声子子间间碰碰撞撞几几率率越越大大，相相应应的的平平均均自自由由程程越越小小，热热导导率率就就越低。越低。声子自由程与平均自由程声子自由程与平均自由程 4.3 影响热导率的因素4.3.1 温度的影响几种晶态氧化物及玻璃钛二氧化硅的平均自由程温度曲线几种晶态氧化物及玻璃钛二氧化硅的平均自由程温度曲线温度的影响氧化铝单晶的热导氧化铝单晶的热导率随温度的变化率随温度的

8、变化校正到理论密度后的多晶氧化物的热导率曲线校正到理论密度后的多晶氧化物的热导率曲线1.1.CaOCaO；2.2.尖晶石；尖晶石；3.3.NiONiO；4.4.莫来石；莫来石；5.5.锆英石；锆英石；6.6.TiOTiO2 2；7.7.橄榄石；橄榄石；8.8.ZrOZrO2 2（稳定）稳定）4.3.2 显微结构的影响（晶体结构的复杂程度）n n声子传导与晶格振动的非谐振性有关。晶体结声子传导与晶格振动的非谐振性有关。晶体结构越复杂，晶格振动的非谐振性越大，格波受构越复杂，晶格振动的非谐振性越大，格波受到的散射越大，声子平均自由程越小，热导率到的散射越大，声子平均自由程越小，热导率越低。越低。显

9、微结构的影响（多晶体与单晶体）n n低温时多晶体的低温时多晶体的热导率与单晶的热导率与单晶的平均热导率一致，平均热导率一致，但随着温度升高，但随着温度升高，多晶体的热导率多晶体的热导率总是低于单晶体总是低于单晶体的热导率。的热导率。几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系4.3.3玻璃的热导规律n n在在中中低低温温（400-600400-600K K）以以下下，随随着着温温度度的的升升高高，热热容容增增大大，玻璃的导热系数也相应上升。玻璃的导热系数也相应上升。n n从从 中中 温温 到到 较较 高高 温温 度度（600-600-900900K K），随

10、随着着温温度度的的不不断断升升高高，声声子子热热容容不不再再增增大大，逐逐渐渐为为一一常常数数，因因此此，声声子子导导热热出出现现与与横横坐坐标标接接近近平平行行的的直直线线。如如果果考考虑虑此此时时光光子子导导热热在在总总的的导导热热中中的的贡贡献献已已开开始始增增大大，则则会会略略上升。上升。n n高温以上（超过高温以上（超过900900K K），），随着随着温度的进一步升高，声子导热温度的进一步升高，声子导热变化不大，光子的平均自由程变化不大，光子的平均自由程明显增大，光子导热系数随温明显增大，光子导热系数随温度的三次方增大，此时光子导度的三次方增大，此时光子导热系数曲线由玻璃的吸收系数

11、、热系数曲线由玻璃的吸收系数、折射率以及气孔率等因素决定。折射率以及气孔率等因素决定。非晶体导热系数曲线晶体导热与非晶体导热的区别n n非晶体的导热系数（不考虑非晶体的导热系数（不考虑光子导热的贡献）在所有温光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体小。度下都比晶体小。n n晶体和非晶体材料的导热系晶体和非晶体材料的导热系数在高温时比较接近数在高温时比较接近。n n非晶体的导热曲线没有峰值非晶体的导热曲线没有峰值点点mm。n n玻璃组分对其导热系数的影玻璃组分对其导热系数的影响，要比晶体材料中组分的响，要比晶体材料中组分的影响小。影响小。晶体和非晶体材料晶体和非晶体材料的导热系数曲线的导热系数曲线几

12、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.铅玻璃实际无机材料的热导率n n当当材材料料中中所所含含有有的的晶晶相相比比非非晶晶相相多多时时，在在一一般般温温度度以以上上，它它的的热热导导率率将将随随温温度度上上升升而而稍稍有有下下降降。在在高高温温下下热热导导率率基基本本上上不不随随温温度度变变化。化。n n当当材材料料中中所所含含的的非非晶晶相相比比晶晶相相多多时时，它它的的热热导率通常将随温度升高而增大。导率通常将随温度升高而增大。n n当材料中所含的晶相和非晶相为某一适当的当材料中所含的晶相和非晶相为某一适当的比例时，它的热导率可以在一个相当大的温比例时

13、，它的热导率可以在一个相当大的温度范围内基本上保持常数。度范围内基本上保持常数。4.3.4 化学组成的影响n n构构成成材材料料的的质质点点的的原原子子量量越越小小，密密度度越越小小，杨杨氏氏模模量量越越大大，德德拜拜温温度度越越高高，则则热热导导率率越大。越大。一些氧化物和碳化物一些氧化物和碳化物中阳离子的原子量对中阳离子的原子量对热导率的影响热导率的影响n n固固溶溶体体的的形形成成降降低低热热导导率率，而而且且取取代代元元素素的的质质量量和和大大小小与与基基质质元元素素相相差差越越大大，取取代代后后结结合合力力改改变变越越大大，则则对对热热导导率的影响越大。率的影响越大。MgO-NiO及

14、Cr2O3-Al2O3固溶体的热阻率 4.4 复相陶瓷的热导率n n分散相均匀地分散在连续相中分散相均匀地分散在连续相中c，d分别为连续相和分散相物质的热导率，Vd为分散相的体积分数。MgO-Mg2SiO4的热导率n n气孔的影响气孔的影响式中，p是气孔的面积分数，pL是气孔的长度分数，是辐射面的热蒸发率，d是气孔的最大尺寸。G是几何因子。顺向长条气孔，G=1；横向圆柱形气孔，G=/4；球形气孔，G=2/3。气孔率对氧化铝陶瓷热导率的影响气孔率对氧化铝陶瓷热导率的影响4.5 高分子材料的热导率n n材料的导热性能取决于含极性基团的多少以及分材料的导热性能取决于含极性基团的多少以及分子内部的结合紧密程度。子内部的结合紧密程度。n n热导率对温度有依赖性，随温度的升高而增加。热导率对温度有依赖性，随温度的升高而增加。n n结晶聚合物的热导率远远大于非晶聚合物。结晶聚合物的热导率远远大于非晶聚合物。n n热导率随分子量与交联度、取向度的增加而增加。热导率随分子量与交联度、取向度的增加而增加。4.6 热导率的测定n n动态法n n=1.38 t1/2L2/2n n=c 4.7 高热导率无机材料4.8 绝热材料n采用聚苯乙烯泡沫（PS）、聚氨酯泡沫（PU）、玻璃纤维和气凝胶等为芯材，内置气体吸附剂和干燥剂，在抽真空状态下双面采用气体隔绝材料材料密封成板材2005年主要绝热材料产量和增长率