lec10-11材料的热性能.ppt

材料的热性能ThermalPropertiesofMaterials 杜宇雷材料科学与工程学院 自由电子对热容的贡献 自由电子对热容的贡献仅在温度很低或很高的情况下才需考虑 材料的导热性 热传导 一块材料温度不均匀或两个温度不同的物体互相接触 热量便会自动地从高温度区向低温度区传播 这种现象称为热传导 傅里叶导热定律 热导率 导热系数 金属合金非金属液体绝热材料大气压气体 导温系数 热扩散率 a cp m2 s 物理意义 表征物体热量传输能力的重要参数 热阻R 热量传递所受阻力 气体靠分子间的直接碰撞来传递热量 固体 导热的微观机制 固体材料导热的微观机制 Cv 单位体积气体分子的比热 单位体积中声子的比热 v 气体分子的运动速度 声子的运动速度 l 气体分子的平均自由程 声子的平均自由程 Cv在高温时 接近常数 在低温时它随T3变化 声速v为一常数 由于非晶体材料特有的无序结构 声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级 因而组分对其影响小 说明 非晶体的声子导热系数在所有温度下都比晶体小 两者在高温下比较接近 两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值 热流的方向平行于各层 两相的温度梯度相同 则平行系统的热阻率的倒数等于各层热阻率的倒数之和 V1 1 V2 2 当两相的热导率相差很大时 热主要由传热较好的相传递 V1 1 当热流方向与平行层垂直时 通过所有各层的热流密度相同 但每一相中的温度梯度不同 总热阻率由各项热阻率的加权平均给出 即1 V1 1 V2 2系统的热导率几乎只取决于导热较差的相 当第一相导热差时 1 V1 1 例如 分散相为气相低温 2 1 1高温 辐射在传热中开始发挥作用 此时 通过材料中气孔以辐射传递的热量不可忽略 辐射对传热贡献正比于气孔大小和温度三次方 高温 大的气孔不仅不降低热传递 而且在某种程度上 随着温度的增加 大的气孔增加有效热导率 无论在高温或低温 小的气孔均阻碍热流动 在多相多孔材料中 热传递的模式可能以很复杂的方式随温度变化 金属热导率 金属的热导率可以归结为自由电子的贡献 套用理想气体热导率公式得 其中CV是电子气热容 v是电子运动的平均速度 是电子平均自由程 是电子弛豫时间 计算比值 应用经典统计的结果 有 1 5 3 1 5 4 1 5 5 1 5 6 这就是Wiedemann Franz关系 该常数被称为Lorenz数 Lorenznumber 宗燕兵 29 纯金属的导热 金属导热与导电机理一致 良导电体为良导热体 金属的导热系数 晶格振动的加强干扰自由电子运动 宗燕兵 30 合金 金属中掺入任何杂质将破坏晶格的完整性 干扰自由电子的运动 金属的加工过程也会造成晶格的缺陷 合金的导热 温度升高 晶格振动加强 导热增强 如常温下 黄铜 70 Cu 30 Zn 考虑承受的最大温差与最大热应力 材料中的应力分布 产生的速率和持续时间 材料的特性 塑性 均匀性 弛豫性 裂纹 缺陷 散热有关 2 第二热应力断裂抵抗因子R h实测值 骤冷时的最大温差只使用于 20的情况 水淬玻璃 0 017J cm s K h 1 67J cm2 s K 20由 hrm 得 rm 0 2cm 才可以用 Tmax f 1 E即玻璃的厚度小于4时 最大热应力随玻璃的厚度减小而减小 对流和辐射传热时的 max max 0 31rmh 承受的最大温差 Tmax max 1 E max max得 Tmax f 1 E 1 0 31rmhR f 1 E 第二热应力断裂抵抗因子 单位 J cm s 考虑形状因子时 Tmax SR 1 0 31rmh 最大冷却速率 dT dt max cp f 1 E 3 rm2第三热应力因子 R cp f 1 E R cp最大冷却速率可以简化为 dT dt max R 3 rm2 材料的热性能ThermalPropertiesofMaterials 杜宇雷材料科学与工程学院 热电材料是一类能够实现热能和电能之间直接转换的特殊功能材料 它具有Seebeck效应 Peltier效应以及Thomson效应 材料的热电性与热电材料 Seebeck效应 当两种不同的导体或者半导体在两个接触点存在温差时 如果是闭合回路的话就会产生电流 而如果是断路的话就会产生电势差 此即为Seebeck效应 Peltier效应 当两种不同的导体或者半导体所形成的闭合回路通以电流的时候 会在两个接触点产生一端吸热一端放热的现象 此即为Peltier效应 exothermic Thomson效应 当单一导体或半导体在两端有温差以及有电流通过时 会在此导体或半导体上产生吸热或放热的现象 此即为Thomson效应 生活中的热电效应应用 Radioisotopethermoelectricgenerators RTGs应用于航天器 热电效应的应用 Peltier效应的物理机制 电流可以归为电子的运动 在不同的导电材料中 电子所处能级并不相同 若从低能级运动至高能级 就需要将部分动能转化为势能 速度降低 微观运动速度是温度的表征 表现在宏观上 就是温度的下降 反之则是温度升高 在下图中 红绿色区域分别表示不同的材料 电子在绿色部分能级较低 红色部分能级高 因此电流从绿色流至红色时 在接合处就是降温区 上 由红至绿的接合点则为升温区 下 热电材料的评估标准 热电材料的性能采用无量纲ZT值的大小来衡量 其中Z为热电品质因素 figureofmerit T为绝对温度 a SeebeckCoefficientr ElectricalResistivityk