《无机材料物理性能》第9讲学习资料.ppt

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1、无机材料物理性能第无机材料物理性能第9 9讲讲无机材料的热传导无机材料的热传导定义定义在材料中热量由高温区域向低温区域传递的现象就称为热传导。其能力用热导率(Thermalconductivity）来衡量。无机材料的热传导无机材料的热传导定义即为导热系数，显然其物理含义是:单位温度梯度下，单位时间内通过 单位垂直面积的热量。稳定状态稳定状态下下无机材料的热传导无机材料的热传导定义不稳定传热过程：不稳定传热过程：物体内各处的温度随时而变化，对于一个外界无热交换，本身又存在温度梯度的物体，单位面积上的温度随时间的变化率为:固体材料热传导的微观机理固体材料热传导的微观机理思考思考：气气体体中中，可可

2、由由分分子子的的自自由由运运动动而而传传热热；金金属属中中则则可可由由大大量量的的自自由由电电子子的的运运动动而而传传热热；在在无无机机非非金金属属材材料料中中，以以什什么么样样的的机机理传热？理传热？v 无机非金属材料中，主要是格波传热。无机非金属材料中，主要是格波传热。格波分声频支与光频支，它们在传热过程中所起格波分声频支与光频支，它们在传热过程中所起的作用是不同的。的作用是不同的。固体材料热传导的微观机理固体材料热传导的微观机理微观机理微观机理声子和声子导热声子和声子导热v格波的传播看成是质点-声子的运动；v格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞；v格波在晶体中传播时遇到的散射，

3、则理解为 声子同晶体质点的碰撞；v理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。v晶体中，热传导的实质就是碰撞。声频波的量子光频波的量子光子光子声子声子微观机理微观机理声子和声子导热声子和声子导热气体的热传导公式为：气体的热传导公式为：声频支声子的速度与频率无关，但热容与自声频支声子的速度与频率无关，但热容与自由行程却与频率有关，故固体热导率的普遍由行程却与频率有关，故固体热导率的普遍形式为：形式为：微观机理微观机理声子和声子导热声子和声子导热声子的平均自由程：声子的平均自由程：1.声子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减少2.晶体中的各种缺陷、杂质以及晶格界面都会引起格波的散射，也等效于声子的平

4、均自由程减小3.平均自由程还与声子振动频率有关4.平均自由程还与温度有关微观机理微观机理光子导热光子导热固体中分子、原子、电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出电磁波，具有较强热效应的波长在0.440m间(相当于可见光、近红外光区)。热射线的传递称为热辐射，在温度不太高时，黑体单位体积的辐射能为：故有从而有斯蒂芬玻尔兹曼常数微观机理微观机理光子导热光子导热一般的表达式仍然是：一般的表达式仍然是：定性解释：任何黑体都会辐射出能量，也会接受能量。温度高的单元体中，放出的能量多，而吸收的能量少，而温度低的单元体中，放出的能量少，而吸收的能量多。结果结果：热量从高温处流向了低温处。微观机理微观机理

5、光子导热光子导热影响光子传导的主要因素影响光子传导的主要因素光子的自由行程光子的自由行程l lr r影响影响lr的主要因素的主要因素v 透明度 v 对频率在可见光与近红外光的光子，吸收和散射也很重要影响热导率的因素影响热导率的因素1.1.温度的影响温度的影响 2.2.显微结构的影响显微结构的影响 3.3.化学组成的影响化学组成的影响 4.4.气孔的影响气孔的影响温度的影响温度的影响几种晶态氧化物及玻璃态氧化硅的几种晶态氧化物及玻璃态氧化硅的1/1/lTlT曲线曲线温度的影响温度的影响热导率随温度的变化热导率随温度的变化 温度较低时，主要是 声子传导 自由程则有随温度的 升高而迅速降低的特点 高

6、温时,则迅速降低，40K附近，出现极 大值。当达到1600K 时，由于辐射传热，又有所升高显微结构的影响显微结构的影响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显微结构的影响显微结构的影响非晶体导热系数曲线非晶体导热系数曲线显微结构的影响显微结构的影响晶体和非晶体材料的导热系数曲线晶体和非晶体材料的导热系数曲线晶体与非晶体的导热l非晶体的导热系数在所有温度下都比晶体的小；l晶体和非晶体材料的导热系数在高温时比较接近；l非晶体没有导热系数的峰值点，说明非晶体物质的声子平均自由程在几乎所有的温度范围内均接近为一常数。显微结构的影响显微结构的影响几种不同组分玻璃的导热系数曲线几种不同组分玻璃的导热系数曲线铅玻璃钠玻璃熔融SiO2化学组成的影响化学组成的影响MgO-NiO的固溶体的热导率的固溶体的热导率结束！结束！