1.4材料的熱傳導(材料物理性能)課件

主要用于衡量材料的絕熱性能和導熱性能，在熱能工程、制冷技術、工業(yè)爐設計、工件加熱和冷卻、房屋采暖與空調(diào)、燃氣輪機葉片等一系列技術領域中，有著重要的應用意義。第四節(jié)材料的熱傳導熱傳導在實際工作中有哪些應用？1.熱傳導：當固體材料一端的溫度比另一端高時，熱量自動地從熱端傳向冷端的現(xiàn)象稱為熱傳導。2.穩(wěn)定傳熱狀態(tài)傳熱公式穩(wěn)定傳熱：傳熱過程中，材料在x方向上各處的溫度T是恒定的，與時間無關,△Q/△t是常數(shù)。一、固體材料熱傳導的宏觀規(guī)律1.4材料的熱傳導(材料物理性能)假如固體材料垂直于x軸方向的截面積為△S，材料沿x軸方向的溫度變化率為dT/dx，在△t時間內(nèi)沿x軸正方向傳過△S截面上的熱量為△Q，對于各向同性的物質，傳熱公式為：式中的常數(shù)λ稱為熱導率(或導熱系數(shù))，dT/dx稱作x方向上的溫度梯度：每單位長度的溫度變化。傅里葉定律，只適用于穩(wěn)定傳熱的條件穩(wěn)定傳熱公式：1.4材料的熱傳導(材料物理性能)3.溫度梯度的意義溫度梯度是個矢量，其方向沿熱流指向溫度升高的方向，負號表示沿熱流是指向溫度降低的方向。即：

dT/dx＜0時,△Q＞0，熱量沿x軸正方向傳遞;dT/dx＞0時，△Q＜0，熱量沿x軸負方向傳遞。4.導熱系數(shù)

導熱系數(shù)λ的物理意義是指單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，所以它的單位為W／(m2·K)或J／(m2·s·K)。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)5.不穩(wěn)定傳熱不穩(wěn)定傳熱過程：即物體內(nèi)各處的溫度隨時間而變化。不穩(wěn)定傳熱的溫度公式：例如一個與外界無熱交換，本身存在溫度梯度的物體，隨著時間的推移溫度梯度趨于零的過程，就存在熱端溫度不斷降低和冷端溫度不斷升高，最終達到一致的平衡溫度。該物體內(nèi)單位面積上溫度隨時間的變化率為式中：ρ為密度，cP為恒壓熱容。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)T1小具有:較少的振動模式較小的振動振幅較少的聲子被激發(fā)較少的聲子數(shù)T大具有:較多的振動模式較大的振動振幅較多的聲子被激發(fā)較多的聲子數(shù)聲子的熱傳導平衡時：同樣多的振動模式振同樣多的振動振幅同樣多的聲子被激發(fā)同樣多的聲子數(shù)dT/dx(溫度梯度）Q=-λdT/dx（能流密度）J/s.cm2單位時間內(nèi)，通過單位面積的熱能.λ------晶體的熱導系數(shù)J/s.cm℃作用于產(chǎn)生晶體光子,電子,聲子二、固體材料熱傳導的微觀機理1.4材料的熱傳導(材料物理性能)金屬中：金屬中有大量的自由電子，電子的質量很輕，能迅速地實現(xiàn)熱量的傳遞。因此，金屬一般都具有較大的熱導率。雖然晶格振動對金屬導熱也有貢獻，只是很次要的。1.固體導熱的載體固體材料的熱傳導主要是由晶格振動的格波（聲子）來實現(xiàn)的。高溫時還可能有光子傳熱。金屬材料中主要是電子熱傳導。非金屬晶體中：在非金屬晶體以晶格振動為主要的導熱機構，晶格振動的格波又分為聲頻支河光頻支。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)由于質點間存在相互作用力，振動較弱的質點在振動較強質點的影響下，振動加劇，熱運動能量增加。熱量就能轉移和傳遞，使整個晶體中熱量從溫度較高處傳向溫度較低處，產(chǎn)生熱傳導現(xiàn)象。2.固體傳熱的微觀過程從微觀導熱過程中，可以看到熱量是由晶格振動的格波來傳遞的。格波可分為聲頻支和光頻支兩類，下面我們就這兩類格波的影響分別進行討論。3.格波導熱1.4材料的熱傳導(材料物理性能)1)“聲子”的概念晶格振動中的能量是量子化的。聲頻波的能量量子稱為聲子。它所具有能量仍然應該是hυ，經(jīng)常用?ω來表示，ω=2πυ是格波的角頻率。2)聲子熱導的基本假設從晶格格波的聲子理論可知，熱傳導過程--聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的擴散過程。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)3）由假設提出的方案用氣體中熱傳導的概念來處理聲子熱傳導的問題。4）傳導率的表達式根據(jù)氣體熱傳導的經(jīng)典分子動力學，氣體熱傳導是氣體分子碰撞的結果，晶體熱傳導是聲子碰撞的結果。它們的熱導率也就應該具有相似的數(shù)學表達式。氣體的熱傳導公式為將上述結果移植到晶體材料中，可導出聲子碰撞傳熱的同樣公式。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)C：單位體積氣體分子的比熱------單位體積中聲子的比熱；

v

：氣體分子的運動速度------聲子的運動速度；

l：氣體分子的平均自由程-----聲子的平均自由程。平均自由程：聲子兩次碰撞走過的路程稱為聲子自由程l。C在高溫時，接近常數(shù)，在低溫時它隨T

3變化；聲速v

為一常數(shù)。主要討論影響聲子的自由程

l

的因素。5）固體熱導率的普遍形式：1.4材料的熱傳導(材料物理性能)聲子間碰撞過程聲子間碰撞使聲子的平均自由程減?。涸诤芏嗑w中晶格熱振動并是非線性的，晶格質點間存在耦合作用，聲子間會產(chǎn)生碰撞，使聲子的平均自由程減小。格波間相互作用愈強，也就是聲子間碰撞幾率愈大，相應的平均自由程愈小，熱導率也就愈低。聲子間碰撞引起的散射的晶格是熱阻的主要來源。6)影響熱傳導性質的聲子散射（聲子的平均自由程l

）主要有四種機構：1.4材料的熱傳導(材料物理性能)(a)Kn=0形成新聲子的動量方向和原來兩個聲子的方向相一致，此時無多大的熱阻。

------正規(guī)過程?q1+

?

q2=?q

3+?Kn或?q1+

?

q2－

?Kn=?q

3聲子的碰撞過程q1q2q31.4材料的熱傳導(材料物理性能)(b)q1

，q2相當大時，

Kn0，碰撞后，發(fā)生方向反轉，從而破壞了熱流方向產(chǎn)生較大的熱阻。翻轉過程（聲子碰撞）

Knq1+

q2

q2q1

q

3聲子碰撞的幾率：

exp(-D/2T)即溫度越高，聲子間的碰撞頻率越高，則聲子的平均自由程越短。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)晶體中的各種缺陷、雜質以及晶粒界面都會引起格波的散射，也等效于聲子平均自由程的減小，從而降低熱導率。散射強弱與點缺陷的大小和聲子的波長相對大小有關。

qT低溫時，為長波，波長比點缺陷大的多，估計：波長

Da/T，波長長的格波容易繞過缺陷，使自由程加大,所以頻率υ小時，波長長，平均自由程l大，散射小，因之熱導率大。在低溫時，最長的平均自由程長達晶粒的尺度。高溫時，聲子的波長和點缺陷大小相近似，點缺陷引起的熱阻與溫度無關。平均自由程為一常數(shù)。在高溫下，最小的平均自由程等于幾個晶格間距.點缺陷的散射不同頻率的格波，波長不同

：1.4材料的熱傳導(材料物理性能)在位錯附近有應力場存在，引起聲子的散射，其散射與T2成正比。平均自由程與T2成反比。晶界散射聲子的平均自由程隨溫度降低而增長，增大到晶粒大小時為止，即為一常數(shù)。晶界散射和晶粒的直徑d成反比，平均自由程與d成正比。位錯的散射1.4材料的熱傳導(材料物理性能)導熱系數(shù)與溫度的關系1.4材料的熱傳導(材料物理性能)1）熱射線固體中的分子、原子和電子振動、轉動電磁波（光子）2．光頻支（光子熱導）具有較強熱效應的電磁波在波長在0.4-40μm間可見光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱為熱射線。2）熱輻射：熱射線的傳遞過程-----熱輻射。熱輻射在固體中的傳播過程和光在介質中的傳播過程類似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。3）光子導熱:光子在介質中的傳播過程-----光子的導熱過程。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)4）熱輻射傳熱：在溫度不太高時，固體中電磁輻射能很微弱，在高溫時很明顯。固體中的輻射傳熱過程的定性解釋：輻射吸收熱穩(wěn)定狀態(tài)輻射源T1T2能量轉移1.4材料的熱傳導(材料物理性能)熱傳導過程：當介質中存在溫度梯度時，相鄰體積間溫度高的體積元輻射的能量大，吸收的能量?。粶囟容^低的體積元正好相反，吸收的能量大于輻射的，因此，產(chǎn)生能量的轉移，整個介質中熱量從高溫處向低溫處傳遞。傳熱體：體積元既能輻射出一定頻率的射線，也能吸收類似的射線。輻射傳熱過程熱穩(wěn)定狀態(tài)：介質中任一體積元平均輻射的能量與平均吸收的能量相等。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)固體中的輻射傳熱的熱導率計算過程輻射能量輻射能量與溫度的四次方成正比。σ是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)(為5.67×10-8W/(m2．K4),n是折射率，υ是光速(3×1010cm/s)。6)傳導率5)容積熱容lr：輻射線光子的平均自由程。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)6)傳導率lr：是輻射線光子的平均自由程。

5)容積熱容容積熱容相當于提高輻射溫度所需的能量，所以1.4材料的熱傳導(材料物理性能)對于輻射線是透明的介質，熱阻很小，lr較大，如：單晶、玻璃，在773---1273K輻射傳熱已很明顯；對于輻射線不透明的介質，lr很小；大多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在1773K高溫下輻射明顯；對于完全不透明的介質，lr=0，在這種介質中，輻射傳熱可以忽略。8）光子的平均自由程lr介質的影響：1.4材料的熱傳導(材料物理性能)吸收系數(shù)小的透明材料，當溫度為幾百度(℃)時，光輻射是主要的；吸收系數(shù)大的不透明材料，即使在高溫時光子傳導也不重要。在非金屬材料中，主要是光子的散射使得lr比玻璃和單晶都小。只是在1500℃以上，光子傳導才是主要的。光子的吸收和散射1.4材料的熱傳導(材料物理性能)則影響熱導率的因素即為公式中的參數(shù)：v：v是聲子平均速度，是常數(shù)，只有在溫度較高時，由于介質的結構松馳而蠕變，使介質的彈性模量迅速下降，v減小。c：c是聲子的體積熱容，熱容c在低溫下與T3成比例，在超過德拜溫度便趨于一恒定值。l：聲子平均自由程l隨著溫度升高而降低。三、影響熱導率的因素在溫度不太高的范圍內(nèi)，主要是聲子傳導，熱導率1.溫度的影響1.4材料的熱傳導(材料物理性能)各種物質的λ與溫度的關系物質種類不同，導熱系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律也有很大不同。（1）氣體隨溫度上升，導熱系數(shù)增大。（2）金屬材料在溫度超過一定程度以后，熱導率隨溫度的上升而緩慢下降。（3）耐火氧化物多晶材料在實用的溫度范圍內(nèi)，隨溫度的上升，熱導率下降。（4）不密實的耐火材料由于氣孔導熱占一定份量,隨著溫度的上升,熱導率略有增大。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)T3

40K1600Kexp(D/2T)熱輻射氧化鋁單晶的熱導率隨溫度的變化1.4材料的熱傳導(材料物理性能)040080012001600200010.10.010.0010.0001Pt石墨SiC粘土耐火磚SiO2玻璃粉末MgO28000F隔熱磚20000F隔熱磚MgOAl2O3ZrO2溫度(0C)BeO熱傳導系數(shù)(卡/秒·厘米·0C)1.4材料的熱傳導(材料物理性能)物質組分原子量之差越小，質點的原子量越小，密度越小德拜溫度越大，結合能大熱傳導系數(shù)越大2.化學組成的影響質點的原子量愈小，密度愈小，德拜溫度愈高，則熱導率愈大。線性簡諧振動時，幾乎無熱阻，熱阻是由非線性振動引起。晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。1）原子量與λ的關系1.4材料的熱傳導(材料物理性能)2）晶體中的缺陷及雜質的影響晶體中存在的各種缺陷和雜質會導致聲子的散射，降低聲子的平均自由程，使熱導率變小。固溶體的形成同樣也降低熱導率，而且取代元素的質量和大小與基質元素相差愈大，取代后結合力改變愈大，則對熱導率的影響愈大.

缺陷及雜質影響與溫度有關：（1）低溫時缺陷及雜質的影響隨著溫度的升高而加劇。（2）溫度高于德拜溫度的一半時這種影響與溫度無關。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)單質具有較大的導熱系數(shù)金剛石的熱傳導系數(shù)比任何其他材料都大，常用于固體器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能輸出大功率。較低原子量的正離子形成的氧化物和碳化物具有較高的熱傳導系數(shù)，如:BeO,SiCλ1030100300

原子量UCSiBeBMgAlZnNiTh碳化物氧化物CaTi1.4材料的熱傳導(材料物理性能)晶體是置換型固溶體，非計量化合物時，熱傳導系數(shù)降低。020406080100MgO體積分數(shù)

NiO

熱傳導系數(shù)(卡/秒厘米0C0.010.020.030.040.050.06化學組成復雜的固體具有小的熱傳導系數(shù)如MgO,Al2O3和MgAl2O4結構一樣，而MgAl2O4的熱傳導系數(shù)低，2Al2O33SiO2莫來石比尖晶石更小.1.4材料的熱傳導(材料物理性能)1)結晶構造的影響晶體結構愈復雜，晶格振動的非諧性程度愈大。格波受到的散射愈大，導致聲子平均自由程較小，熱導率較低。

2)各向異性晶體的熱導率非等軸晶系的晶體熱導率呈各向異性。晶向不同，熱傳導系數(shù)也不一樣，如：石墨、BN為層狀結構，層內(nèi)比層間的大4倍，在空間技術中用于屏蔽材料。溫度升高時，不同方向的熱導率差異減小。這是因為溫度升高，晶體的結構總是趨于更好的對稱。3．顯微結構的影響1.4材料的熱傳導(材料物理性能)3)多晶體與單晶體的熱導率多晶體與單晶體同一種物質，多晶體的熱導率總比單晶小。多晶材料中各種缺陷多，聲子易受到散射，平均自由程小，熱導率小。低溫時，多晶的熱導率與單晶的平均熱導率一致，溫度升高，差異變大。因為晶界、缺陷、雜質等在高溫時降低聲子熱傳導，而多晶的光子傳導較單晶弱，所以，以光子導熱的高溫時，差異變大。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)非晶體晶體與非晶體0T(K)

400－600K600－900K

0T(K)

··4）非晶體的熱導率說明：

非晶體的聲子導熱系數(shù)在所有溫度下都比晶體??；

兩者在高溫下比較接近；

兩者曲線的重大區(qū)別在于晶體有一峰值。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)玻璃的導熱主要由熱容與溫度的關系決定，在更高溫度以上則需考慮光子導熱的貢獻。（1）玻璃的熱導對于晶粒極細的玻璃來說，它的聲子平均自由程在不同溫度將基本上是常數(shù)，其值近似等于幾個晶格間距。則根據(jù)聲子導熱的(3.43)式：1.4材料的熱傳導(材料物理性能)（2）玻璃的熱導率與溫度的關系①在中低溫(400-600K)以下：即隨著溫度的升高，玻璃的導熱系數(shù)上升。當于圖3.17中的OF段。②從中溫到較高溫度(600-900K)：聲子導熱也不再隨溫度升高而增大。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)非晶體導熱系數(shù)曲線導熱系數(shù)曲線出現(xiàn)一條與橫坐標接近平行的直線，相當于圖中的Fg段。如果考慮此時光子導熱在總的導熱中的貢獻已開始增大，則為圖中的Fg′段。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)③高溫以上(超過900K):隨著溫度的進一步升高，聲子導熱變化仍不大，相當于圖中的gh段。由于光子的平均自由程明顯增大，光子導熱系數(shù)λr將隨溫度的三次方增大。相當于圖中的g′h′段。非晶體導熱系數(shù)曲線1.4材料的熱傳導(材料物理性能)5）晶體與非晶體λ-T關系的比較①非晶體的聲子導熱系數(shù)在所有溫度下都比晶體??；②晶體和非晶體材料的導熱系數(shù)在高溫時比較接近；③晶體物質的λ-T有峰值點m，而非晶體物質沒有。晶體和非晶體材料的導熱系數(shù)曲線1.4材料的熱傳導(材料物理性能)6）玻璃組分對λ-T的影響由于非晶體材料特有的無序結構，聲子平均自由程都被限制在幾個晶胞間距的量級，因而組分對其影響小。圖3.19中幾種玻璃的組分差別較大，但其導熱系數(shù)的差別卻比小。這說明玻璃組分對其導熱系數(shù)的影響，要比晶體材料中組分的影響小。幾種不同組分玻璃的導熱系數(shù)曲線

1.鈉玻璃；2.熔融SiO2；3．耐熱玻璃；4．鉛玻璃1.4材料的熱傳導(材料物理性能)7）晶體與非晶體同時存在時的λ在一般情況下，晶體和非晶體共存材料的導熱系數(shù)曲線，往往介于晶體和非晶體導熱系數(shù)曲線之間?？赡艹霈F(xiàn)三種情況：①

當材料中所含有晶相比非晶相多時，在一般溫度以上，熱導率隨溫度上升而有所下降。在高溫下熱導率基本上不隨溫度變化；②當材料中所含的非晶相比晶相多時，熱導率隨溫度升高而增大；③

當材料中所含的非晶相比晶相多時，熱導率可以在一個相當?shù)姆秶鷥?nèi)基本保持常數(shù)。1.4材料的熱傳導(材料物理性能)4.復合材料的熱導率體積分數(shù)較小相為連續(xù)相（如液相）兩相材料的相分布模型層狀模型體積分數(shù)較大的相為連續(xù)相

1.4材料的熱傳導(材料物理性能)取決于每一相的熱導率和熱流方向：熱流