热传导PPT课件

-,1,材料的热学性能,第四节材料的热传导,-,2,一、概述,dT/dx（温度梯度）,Q=-dT/dx（能流密度）J/s.cm2单位时间内，通过单位面积的热能.-晶体的热导系数J/s.cmoC,作用于,产生,晶体,电子声子,光子,-,3,一、热传导的基本概念和定律,热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端的现象。,稳定传热,（傅利叶导热定律）,负号表示热量向低温处传递，常数称为热导率（或导热系数）,热导率：材料传输热量的能力的表征参数。指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，所以其单位为W/(mK)或J/(msK),-,4,傅利叶导热定律适用条件：稳定传热的条件，即传热过程中，材料在x方向上各处的T是恒定的，与时间无关，Q/t是常数。,非稳定传热（物体内各处的温度随时间而变化）,一个与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，随着时间的推移温度梯度趋于零的过程，即存在热端温度不断降低和冷端温度不断升高，最终达到一致的平衡温度。该物体内单位面积上温度随时间的变化率为：,（为密度，CP为恒压热容）,-,5,二、热传导的物理机制,气体：传热是通过分子碰撞来实现的,固体材料：不能象气体那样依靠质点间的直接碰撞来传递热能。固体中的导热主要是由晶格振动的格波（声子-声频支或光子-光频支）和自由电子的运动来实现的,金属：一般都有较大的热导率。在金属中由于有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递。虽然晶格振动对金属导热也有贡献，但是次要的,非金属晶体：一般离子晶体的晶格中，自由电子很少，因此，晶格振动是热传导的主要机制,-,6,晶格振动热传导的简单描述,假设晶格中一质点处于较高的温度下，它的热振动较强烈，平均振幅也较大。而其邻近质点所处的温度较低，热振动较弱。,质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强质点的影响下，振动加剧，热运动能量增加。这样，热量就能转移和传递，使整个晶体中热量从温度较高处传向温度较低处，产生热传导现象。,假如系统对周围是热绝缘的，振动较强的质点受到邻近振动较弱质点的牵制，振动减弱下来，使整个晶体最终趋于一平衡态（非稳定导热的情况）,-,7,1、电子导热,纯金属：导热主要靠自由电子,合金：既要考虑自由电子，又要考虑声子（晶格振动）导热的贡献,金属中大量的自由电子可视为自由电子气。合理的近似：用理想气体热导率公式来描述自由电子热导率,理想气体热导率表达式为：,把自由电子气的有关数据代入上式，则金属中自由电子的可近似求得设单位体积自由电子数n，则单位体积电子热容为：,-,8,-,9,2、声子热导,从晶格格波的声子理论可知，热传导过程-声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程。,热阻：声子扩散过程中的各种散射。,根据气体热传导的经典分子动力学，热传导系数：,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。,-,10,声子的碰撞过程,形成新声子的动量方向和原来两个声子的方向相一致，此时无多大的热阻。,正规过程,q1，q2相当大时，碰撞后，发生方向反转，从而破坏了热流方向产生较大的热阻。翻转过程（声子碰撞）,-,11,散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关。,T,在低温时，为长波，波长比点缺陷大的多，估计：波长Da/T犹如光线照射微粒一样，从雷利公式知:散射的几率1/4T4,平均自由程与T4成反比.在高温时，声子的波长和点缺陷大小相近似，点缺陷引起的热阻与温度无关。平均自由程为一常数。,点缺陷的大小是原子的大小：,点缺陷的散射,-,12,在位错附近有应力场存在，引起声子的散射，其散射与T2成正比。平均自由程与T2成反比。,声子的平均自由程随温度降低而增长，增大到晶粒大小时为止，即为一常数。晶界散射和晶粒的直径d成反比，平均自由程与d成正比。,晶界散射,位错的散射,-,13,光子在介质中的传播过程光子的导热过程。,2、光子热导,电磁波覆盖了一个较宽的频谱。其中具有较强热效应的在可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。,热射线的传递过程热辐射。,热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过程类似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。,-,14,固体中的辐射传热过程的定性解释：,辐射能的传递能力：,：波尔兹曼常数（5.6710-8W/(m2K4)；n：折射率；lr：光子的平均自由程。,-,15,对于辐射线是透明的介质，热阻小，lr较大，如：单晶、玻璃，在773-1273K辐射传热已很明显；,对于辐射线是不透明的介质，热阻大，lr很小，大多数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下辐射明显；,对于完全不透明的介质，lr=0，辐射传热可以忽略。,-,16,三、热导率的一般规律,在室温下许多金属的热导率与电导率之比/几乎相同，而不随金属不同而改变。,魏得曼弗兰兹定律,导电性好的材料，其导热性也好。,-,17,四、热传导的影响因素,1、温度的影响,热导率的通用表达式为：,热导率随温度的变化有几种趋势：,热容CV在低温下与温度的三次方成正比，因此也近似与T3成比例地变化，随着温度的升高，迅速增大,温度继续升高，l值要减小，CV随温度T的变化也不再与T3成比例，并在德拜温度以后，趋于一恒定值，且l值因温度升高而减小成了主要影响因素。值随温度升高而迅速减小,在更高的温度，由于CV已基本上无变化，l值也逐渐趋于下限（晶格间距），所以随温度的变化值又变得缓和了,在达到一定的高温后，值又有少许回升，这是高温时辐射传热带来的影响,-,18,物质种类不同，导热系数随温度变化的规律也有很大不同,各种气体随温度上升导热系数增大。这是因为温度升高，气体分子的平均运动速度增大，虽然平均自由程因碰撞几率加大而有所缩小，但前者的作用占主导地位，因而热导率增大,金属材料在温度超过一定值后，热导率随温度的上升而缓慢下降，并在熔点处达到最低值。但象铋和锑这类金属熔化时，它们的热导率增加一倍，这可能是过渡至液态时，共价键合减弱，而金属键合加强的结果,耐火氧化物多晶材料在实用的温度范围内，随温度的上升，热导率下降,不密实的耐火材料，如粘土砖、硅藻土砖、红砖等，气孔导热占一定份量，随着温度的上升，热导率略有增大（气体导热）,-,19,2、结构的影响,晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越低。晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。,晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多，对声子散射大。,-,20,3、化学组成的影响,线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：晶格偏离谐振程度越大，热阻越大。,物质组分原子量之差越小，质点的原子量越小，密度越小，德拜温度越大，结合能大。,热传导系数越大,-,21,单质具有较大的导热系数,金刚石的热传导系数比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片。例如：GaAs激光器做在上面，能输出大功率。,较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具有