固體材料熱物理性質(zhì)講義

1、固體材料導(dǎo)熱性能的機(jī)制、影響因素及優(yōu)化固體材料導(dǎo)熱性能的機(jī)制、影響因素及優(yōu)化奚同庚中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所1959 ：畢業(yè)于北京科技大學(xué),同年起在中科院上海硅酸鹽研究所工作1963 ：助研，課題組長(zhǎng)1981 ：副研，室主任1985 ：研究員、博導(dǎo)19831991： 副所長(zhǎng)研究方向研究方向：材料熱物性學(xué)，熱功能材料，能源技術(shù) 論文論文：已發(fā)表150余篇，其中國(guó)外發(fā)表70余篇（J. Appl. Phy., Trans.J.Br. Ceram. Soc.,Ferroelectrics, J. Mat., Sci. Let., Inter. J. Thermophysics, Thermochimi

2、ca Acta, 等） 獲獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)：8項(xiàng)成果獎(jiǎng) 國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)中科院進(jìn)步獎(jiǎng)5項(xiàng)，一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)4項(xiàng)奚同庚 簡(jiǎn)歷 著作著作：12本（無(wú)機(jī)材料熱物性學(xué)，高溫涂層，熱分析質(zhì)譜法，固體熱物理性質(zhì)導(dǎo)論理論與測(cè)量等） 兼職兼職：1985年起先后兼任中國(guó)科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華東理工大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)、香港中文大學(xué)兼職教授學(xué)會(huì)學(xué)會(huì)：上海市國(guó)家突出貢獻(xiàn)專家協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)中國(guó)計(jì)量學(xué)會(huì)理事、熱物理專業(yè)委員會(huì)副主任上海計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)理事長(zhǎng) ATPC 國(guó)際熱物性會(huì)議常務(wù)理事中科院能源委員會(huì)委員上海絕熱工程和材料應(yīng)用委員會(huì)主任 其它其它：1988年被國(guó)家人事部授予“中青年突出貢獻(xiàn)專家”稱號(hào) 198

3、8年評(píng)為上海市勞動(dòng)模范 1989年國(guó)防科工委授予獻(xiàn)身國(guó)防科技事業(yè)榮譽(yù)獎(jiǎng)?wù)?19932003年上海市第八、第九屆政協(xié)委員目錄目錄前言前言1.1.熱的微觀理論熱的微觀理論. .固體導(dǎo)熱機(jī)制概述固體導(dǎo)熱機(jī)制概述2.2.導(dǎo)熱載體類別導(dǎo)熱載體類別3.3.導(dǎo)熱系數(shù)理論曲線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證導(dǎo)熱系數(shù)理論曲線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證7.7.與其他物性的關(guān)聯(lián)性與其他物性的關(guān)聯(lián)性4.4.工程材料導(dǎo)熱因子的理論分析工程材料導(dǎo)熱因子的理論分析.影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理、化學(xué)因素影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理、化學(xué)因素1.1.溫度溫度2.2.體積密度體積密度4.4.化學(xué)成分化學(xué)成分3.3.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)5.5.氣孔氣孔6.6.晶粒、晶界、缺陷、微裂

4、紋晶粒、晶界、缺陷、微裂紋目錄目錄.導(dǎo)熱性能作為研究材料微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例導(dǎo)熱性能作為研究材料微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例1.1.相變的導(dǎo)熱研究相變的導(dǎo)熱研究5.5.微裂紋的導(dǎo)熱研究微裂紋的導(dǎo)熱研究2.2.電疇的導(dǎo)熱研究電疇的導(dǎo)熱研究3.3.晶態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱的非晶態(tài)行為晶態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱的非晶態(tài)行為4.4.晶界狀態(tài)的導(dǎo)熱研究晶界狀態(tài)的導(dǎo)熱研究 . .熱功能材料熱性能的優(yōu)化和設(shè)計(jì)熱功能材料熱性能的優(yōu)化和設(shè)計(jì)前言前言熱物理性質(zhì)熱物理性質(zhì)輸運(yùn)性質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、熱膨脹、熱輻射、粘度輸運(yùn)性質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、熱膨脹、熱輻射、粘度熱力學(xué)性質(zhì)：比熱、熱焓熱力學(xué)性質(zhì)：比熱、熱焓熱物性學(xué)研究范疇熱物性學(xué)研究范疇1.1.

5、熱物性測(cè)試方法和技術(shù)研究熱物性測(cè)試方法和技術(shù)研究2.2.熱物性物理模型和機(jī)制研究熱物性物理模型和機(jī)制研究3.3.熱物性變化規(guī)律及影響因素研究熱物性變化規(guī)律及影響因素研究4.4.宏觀熱物性與微觀結(jié)構(gòu)、顯微組織、化學(xué)成分間關(guān)系研究宏觀熱物性與微觀結(jié)構(gòu)、顯微組織、化學(xué)成分間關(guān)系研究5.5.熱物性數(shù)據(jù)判讀及數(shù)據(jù)庫(kù)建立熱物性數(shù)據(jù)判讀及數(shù)據(jù)庫(kù)建立熱物性在基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)中的作用熱物性在基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)中的作用航天技術(shù)航天技術(shù)宏觀熱障宏觀熱障ICIC和和ITIT技術(shù)技術(shù)微觀熱障微觀熱障能源技術(shù)和動(dòng)力工程能源技術(shù)和動(dòng)力工程熱裝置的熱設(shè)計(jì)熱裝置的熱設(shè)計(jì)熱過(guò)程的熱分析熱過(guò)程的熱分析熱功能材料的刪選及優(yōu)化熱功能

6、材料的刪選及優(yōu)化研究材料微觀結(jié)構(gòu)變化的一種新方法研究材料微觀結(jié)構(gòu)變化的一種新方法1.1.熱的微觀理論熱的微觀理論熱的動(dòng)力學(xué)理論熱的動(dòng)力學(xué)理論熱是一種關(guān)聯(lián)到分子、原子、電子等以及其組熱是一種關(guān)聯(lián)到分子、原子、電子等以及其組成部分的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的能量成部分的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的能量2.2.導(dǎo)熱載體類別導(dǎo)熱載體類別(1).(1).分子導(dǎo)熱分子導(dǎo)熱分子碰撞分子碰撞(2).(2).電子導(dǎo)熱電子導(dǎo)熱電子碰撞電子碰撞(3).(3).聲子導(dǎo)熱聲子導(dǎo)熱聲子碰撞聲子碰撞(4).(4).光子導(dǎo)熱光子導(dǎo)熱光子碰撞（較高頻率的電磁輻射能）光子碰撞（較高頻率的電磁輻射能）介電體中：熱量傳導(dǎo)是由晶格振動(dòng)（格波）實(shí)現(xiàn)的介電

7、體中：熱量傳導(dǎo)是由晶格振動(dòng)（格波）實(shí)現(xiàn)的波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)格波的能量傳導(dǎo)又具有量子化特征格波的能量傳導(dǎo)又具有量子化特征量子說(shuō)量子說(shuō)格波傳遞能量的速度為該物質(zhì)中的等效聲速，因此把格波傳遞能量的速度為該物質(zhì)中的等效聲速，因此把量子化的以等效聲速傳遞的晶格振動(dòng)稱為量子化的以等效聲速傳遞的晶格振動(dòng)稱為“聲子聲子”因此、導(dǎo)熱的機(jī)理必然與組成物質(zhì)的微觀粒子的運(yùn)動(dòng)與相互作用有關(guān)。因此、導(dǎo)熱的機(jī)理必然與組成物質(zhì)的微觀粒子的運(yùn)動(dòng)與相互作用有關(guān)。. .固體導(dǎo)熱機(jī)制概述固體導(dǎo)熱機(jī)制概述對(duì)于以上四種導(dǎo)熱載體的導(dǎo)熱系數(shù)都用一個(gè)通式表示：對(duì)于以上四種導(dǎo)熱載體的導(dǎo)熱系數(shù)都用一個(gè)通式表示：iiiviLVC31導(dǎo)熱載體的體積熱容導(dǎo)熱

8、載體的體積熱容導(dǎo)熱載體在物質(zhì)內(nèi)傳遞速度導(dǎo)熱載體在物質(zhì)內(nèi)傳遞速度導(dǎo)熱載體相互碰撞的平均自由程導(dǎo)熱載體相互碰撞的平均自由程viCiViL3.3.導(dǎo)熱系數(shù)理論曲線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證導(dǎo)熱系數(shù)理論曲線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 隨隨T T 變化規(guī)律變化規(guī)律對(duì)方程（對(duì)方程（1 1）各項(xiàng)與溫度的關(guān)系，求出）各項(xiàng)與溫度的關(guān)系，求出 理論曲線理論曲線實(shí)測(cè)的實(shí)測(cè)的 值曲線值曲線對(duì)比驗(yàn)證對(duì)比驗(yàn)證（1 1）無(wú)機(jī)非金屬材料（陶瓷等）無(wú)機(jī)非金屬材料（陶瓷等）陶瓷材料（晶體）導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線陶瓷材料（晶體）導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線單晶氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)單晶氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)曲線的實(shí)測(cè)曲線校正到理論密度后的多晶氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)曲線校正到理論密度

9、后的多晶氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)曲線校正到理論密度后的多晶氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)校正到理論密度后的多晶氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)石墨和的石墨和的SiCSiC導(dǎo)熱系數(shù)曲線導(dǎo)熱系數(shù)曲線玻璃等非晶體材料導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線玻璃等非晶體材料導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線11聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn) 22聲子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)聲子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)（2 2）非晶態(tài)材料）非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料可看成是近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)材料可看成是近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序的結(jié)構(gòu)石英玻璃的實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)曲線石英玻璃的實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)曲線幾種不同組分玻璃的實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)曲線幾種不同組分玻璃的實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)曲線金屬導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線金屬導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線（3

10、 3）金屬材料）金屬材料金屬導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)曲線金屬導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)曲線4.4.工程材料的導(dǎo)熱因子分析工程材料的導(dǎo)熱因子分析（1 1）典型工程材料導(dǎo)熱因子構(gòu)成）典型工程材料導(dǎo)熱因子構(gòu)成有效導(dǎo)熱系數(shù)有效導(dǎo)熱系數(shù) 的概念的概念導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射三種傳播方式對(duì)導(dǎo)熱導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射三種傳播方式對(duì)導(dǎo)熱性能按權(quán)重的綜合貢獻(xiàn)性能按權(quán)重的綜合貢獻(xiàn)ee(,),(,),eSSCSFSMRRGRSGCf SSCSFSMRRGRSGC導(dǎo)熱、輻射和對(duì)流三種傳熱方式對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)可分解成若干導(dǎo)熱、輻射和對(duì)流三種傳熱方式對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)可分解成若干導(dǎo)熱因子，絕熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱因子，絕熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù) 可由下

11、列導(dǎo)熱因子組成：可由下列導(dǎo)熱因子組成：式中式中固相導(dǎo)熱因子，包括非金屬晶態(tài)相導(dǎo)熱因子固相導(dǎo)熱因子，包括非金屬晶態(tài)相導(dǎo)熱因子 （聲子），（聲子），玻璃相導(dǎo)熱因子玻璃相導(dǎo)熱因子 （聲子），金屬相導(dǎo)熱因子（聲子），金屬相導(dǎo)熱因子 （電子）（電子）輻射導(dǎo)熱因子，包括氣相輻射導(dǎo)熱因子，包括氣相( (氣孔內(nèi)氣孔內(nèi)) )輻射導(dǎo)熱因子輻射導(dǎo)熱因子 ，固相輻射導(dǎo)熱因子固相輻射導(dǎo)熱因子 （光子）（光子）氣相熱導(dǎo)導(dǎo)熱因子（分子）氣相熱導(dǎo)導(dǎo)熱因子（分子）氣相對(duì)流導(dǎo)熱因子（分子）氣相對(duì)流導(dǎo)熱因子（分子）熱熱面面冷冷面面非金屬固體導(dǎo)熱非金屬固體導(dǎo)熱( (聲子）聲子）氣孔內(nèi)氣體導(dǎo)熱和對(duì)流氣孔內(nèi)氣體導(dǎo)熱和對(duì)流( (分子）分子

12、）絕熱材料熱傳遞原理圖絕熱材料熱傳遞原理圖熱輻射（光子）熱輻射（光子）微孔硅酸鈣電鏡照片微孔硅酸鈣電鏡照片氣孔尺寸氣孔尺寸202080 um80 um聚氨酯泡沫電鏡照片聚氨酯泡沫電鏡照片氣孔尺寸氣孔尺寸150150300 um300 um(2).(2).導(dǎo)熱因子隨材料密度和溫度變化規(guī)律導(dǎo)熱因子隨材料密度和溫度變化規(guī)律1 1絕熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù)絕熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù)e e 2 2絕熱材料氣相導(dǎo)熱因子的貢獻(xiàn)絕熱材料氣相導(dǎo)熱因子的貢獻(xiàn)3 3絕熱材料中的輻射導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)絕熱材料中的輻射導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn) 4 4絕熱材料對(duì)流導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)絕熱材料對(duì)流導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn) 5 5絕熱材料中的固相導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)絕熱材料中的固相

13、導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)32316TLnRR輻射導(dǎo)熱因子輻射導(dǎo)熱因子因此，當(dāng)溫度從因此，當(dāng)溫度從65 538 時(shí)時(shí) 貢獻(xiàn)貢獻(xiàn)R典型絕熱材料在典型絕熱材料在6565和和538538時(shí)時(shí)不同體積密度下不同體積密度下各種導(dǎo)熱因子對(duì)各種導(dǎo)熱因子對(duì) 的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn) e.影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理、化學(xué)因素影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理、化學(xué)因素1.1.溫度（室溫以上）溫度（室溫以上）(1).(1).晶態(tài)無(wú)機(jī)非金屬材料晶態(tài)無(wú)機(jī)非金屬材料(2).(2).非晶態(tài)無(wú)機(jī)非金屬材料非晶態(tài)無(wú)機(jī)非金屬材料(3).(3).多孔絕熱材料和輕質(zhì)磚多孔絕熱材料和輕質(zhì)磚(4).(4).金屬材料金屬材料2. 2. 體積密度體積密度 ，(1).(1).陶瓷材

14、料：陶瓷材料：500500以下，氣孔率以下，氣孔率P P 400.1dp0.1厘米厘米; ;7. 7. 輻射導(dǎo)熱，輻射導(dǎo)熱，dp=0.01dp=0.01厘米；厘米；8. 8. 輻射導(dǎo)熱，輻射導(dǎo)熱，dp=0.005dp=0.005厘米。厘米。5.5.氣孔氣孔(1).(1).氣孔率氣孔率(2).(2).氣孔形態(tài)（封閉與連通，層狀氣孔）氣孔形態(tài)（封閉與連通，層狀氣孔）(3).(3).多孔尺寸：氣孔直徑多孔尺寸：氣孔直徑 ， 強(qiáng)度強(qiáng)度 RGCKCl KCl 晶體熱阻與晶粒尺寸和溫度的關(guān)系晶體熱阻與晶粒尺寸和溫度的關(guān)系6.6.晶粒、晶界、缺陷、微裂紋晶粒、晶界、缺陷、微裂紋(1).(1).晶粒尺寸晶粒尺

15、寸 ，e(3).(3).缺陷：類型、濃度缺陷：類型、濃度(2).(2).晶界尺寸與成分晶界尺寸與成分多晶多晶TiO2熱處理對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響熱處理對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響(4).(4).微裂紋微裂紋7.7.與其他物性的關(guān)聯(lián)性與其他物性的關(guān)聯(lián)性(1).(1).理論密度理論密度，小，小， 大，則大，則 大大 (2).(2).壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)x或彈性模量或彈性模量E: x 或或E大，大， 大，則大，則 大大(3).(3).原子量原子量A: : A小，小， 大，大， 大大(4).(4).晶體結(jié)合能晶體結(jié)合能DeDeDe熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)熔點(diǎn)熔點(diǎn)Tm結(jié)合能大結(jié)合能大熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 小小熔點(diǎn)熔點(diǎn)Tm 高高e

16、大大.導(dǎo)熱性能作為研究材料微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例導(dǎo)熱性能作為研究材料微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例1.1.相變的導(dǎo)熱研究相變的導(dǎo)熱研究Thermal diffusivity and dielectric constant of LiTaO3 single crystal,versus temperature引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869 Thermal diffusivity, thermal conductivity, and dielectric constant of PbTiO3 ceramic, versus temperature 引自引自Ferroel

17、ectrics,1981. Vol.38, p869Thermal diffusivity and dielectric constant of doped PZT(45/55) ceramic, versus temperature引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869Specific heat of doped PZT(96.5/3.5) ceramic, versus temperatureThermal expansivity of doped PZT(96.5/3.5) ceramic, versus temperatureSpecific hea

18、t of doped PZT(97.5/2.5) ceramic, versus temperature引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p8692.2.電疇的導(dǎo)熱研究電疇的導(dǎo)熱研究Thermal diffusivity and dielectric constant of doped PbNb2O6引自引自High Temp.-High Press. 1985. Vol.17, p3653.3.晶態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱的非晶態(tài)行為晶態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱的非晶態(tài)行為T(mén)emperature dependence of the thermal conductivity of Sr0.52Ba0.48Nb2O6 single crystal. :Ka; :Kc The solid curve denotes the thermal conductivity of Sr0.45Ba0.55Nb2O6 along an unspecified direction3Temperature dependence of the specific heat of Sr0.52Ba0.48Nb2O6 single crystal. 引自引自 J. Appl. Phys. 71(1),1,199