金属热传导PPT课件

金属热传导,镁合金导热性能的研究,1,-,镁合金研究概况进入二十一世纪以来，人类的可持续发展面临着资源匮乏等严重问题，并且随着大规模生产的进行和发展，传统金属材料(如钢铁，铝合金等)的消耗量急剧增加。特别是随着环境的继续恶化，发达国家加强了对汽车等运输设备尾气排放量的限制，促进了轻质合金的快速发展。镁合金作为“21世纪的绿色结构材料”，具备密度小、比刚度高、良好的阻尼及电磁屏蔽性能、高的导热导电系数以及环境友好性等许多特殊的优异性能，得到了各个国家研究者们的极大关注。,2,-,镁合金产品在电子及汽车领域的用量正在以20%的速度增长。然而同铝合金相比，镁合金的研究和应用远远不够充分，存在的问题主要有：镁合金很活泼，熔炼及铸造加工的难度大成本高；镁合金的变形能力差，成型技术有待发展；镁合金的耐腐蚀性能差，在许多场合应用时都不能满足要求；镁合金的强度和塑性有待进一步提高；镁合金的合金体系相对较少。,3,-,经合金化后，镁合金可以具备各种优异的综合性能，同其他金属相比，主要包括有以下特点：密度大概为铝合金的2/3，钢铁的1/4，强度明显优于铝及钢铁，因此除可以减轻重量外还可以减少焊接、组装等工序；阻尼及吸震性能优异，可以明显的减震降噪；铸造性能好，由于镁及合金的熔点较低，对应的熔体流动性能好，充型能力强，因此可以铸造出薄壁件；切削性能优异，镁的切削阻力较弱；工件的尺寸更容易控制；,4,-,镁合金的比热容较小，升温及凝固的速率更快，因此生产的效率更高，大概比铝合金高出40%；特别的，镁合金的散热能力强，结合镁合金优异的电磁屏蔽性能，特别适合用作发出电磁波的电子产品的外壳及散热器等部件，也适合用作计算机和手机等设备的外壳；最后，镁合金具有良好的环境友好性能，可以百分之百的回收利用，不会对环境造成太大的负面影响。,5,-,导热合金的研究背景热量的传递现象(热传导，热对流及热辐射)作为能量传递的基本方式渗透在工业应用的各个领域。随着现代工业日新月异的发展，对散热部件进行热管理开始成为目前面临解决的技术难题之一，而在电子、电力、汽车制造及建筑等各领域表现得尤为突出。,6,-,传热基本原理传热是一个复杂的物理现象，根据传热原理不同可以分为热传导，热对流及热辐射。热量在物质内部传输的现象称为热传导，即物质各组分之间不发生相对移动时，利用分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。比如，热量从物体内部温度较高的位置传递到温度较低的另一位置即为一种热传导现象。,7,-,热传导的原理可用傅立叶定律来描述，即在热传导过程中，单位时间内通过给定截面的热量与垂直于该截面上的温度变化率和截面面积成正比。其数学表达式为：其中，表示热流量(W)；表示导热系数，即表征材料导热性能优劣的参数(W/mK)；A表示垂直于热流方向的截面面积(m2)；表示温度t在x方向上的变化率；,8,-,热对流是指流体(液体或气体)与固体表面接触时，由流体内部热量或物质流动而引起的与固体表面之间产生热交换的过程。对流的强弱受到流体的物理性质，流体的流动状态，固体表面的形状及位置等因素的影响。对流传热的能量密度可用牛顿方程来定义：,9,-,其中hc为对流换热系数(W/m2K)，A为固体的散热表面积(m2)，T1和T2分别为散热固体表面的平均绝对温度和流体的平均绝对温度，可以看出，牛顿方程将对流传热的各种复杂的影响因素全都归结于对流换热系数hc中。流体的自然对流是由于流体内部受热不均，各部分的流体密度自然不同，流体受热后密度降低向上游动，而冷流体的密度大会向下沉底，从而形成了一个对流循环系统。,10,-,热辐射是指热量以电磁波的形式来进行传递，热辐射能传递到物体表面后会被吸收或发射，且任何温度高于绝对零度的物体都有发射或吸收电磁波的能力。两物体间的辐射能量传递量可通过斯蒂芬-玻尔兹曼方程计算得出：因此，辐射换热系数hr可以表示为：其中，为辐射面1外壁的发射率，为玻尔兹曼常数（5.66910-8），T1和T2分别辐射面1和辐射面2的表面温度，A为辐射面1的表面积。,11,-,导热合金设计原理由于导热方程与欧姆定律极其相似，人们在进行热设计的过程中一般采用“热阻”的概念来定义热量传输的阻力：其中，T为温度差()，q为热流量(W)，R为热阻(/W)。,12,-,一般地，工业器件所产生热量的传输路径如下：一是该设备在工作过程中由功率耗损而产生的热量，即中心热源(芯片级热阻)；二是该热源的热量以热传导的方式传输至设备的表面并开始与大气环境产生交互作用(印刷版级热阻)；三是设备表面的热量通过导热、对流和热辐射向环境中传输(系统级热阻)。所以，热设计的总原则就是自中心热源至大气环境中间，提供一条尽可能快、尽可能短的热传输通道。,13,-,提高热传输效率的方法主要有两个：一是优化电化学性能和采取先进的制造工艺，尽量降低器件内部的功率耗损，提高能源的利用率，从而降低能量密度；二是利用热特性，在了解各设备热失效参数的条件下，通过选用合适的导热材料，降低设备与大气环境之间的热阻，以保证散热器件在一个比较低的温度下工作，并把设备内部有害的热量用较小的代价尽可能释放掉，使设备在其所处的环境条件下，保持在按照要求规定的温度范围之内。,14,-,如何让散热器件具有优异的散热性能，使其在长时间内保持持续可靠的工作状态，是目前散热设计的关键。基于散热的三种机理，人们设计出诸多散热方式以满足热设计的要求：自然散热，即通过散热壳体内部的热传导及与周围空气的热对流和热辐射而进行的被动散热，这种散热方式可靠性高且成本低，且通过添加外部翅片的方式可以显著提高自然散热的效率；强迫风冷，即装入风机带动空气流动，从而增大对流换热系数，该方法可使传热能力提高一个数量级；液体冷却，即在封闭的空间内载入循环的冷却介质，该方法散热效率高，噪音低；相变冷却，即通过气体和液体之间的相转变进行热量传递，系统复杂但传热效率高；热管技术，即通过封闭空间内液体及气体的循环流动进行的相变传热。,15,-,(a)铸态及固溶态Mg-Al合金的热扩散系数，(b)Mg-Al合金的比热容及密度，(c)铸态及固溶态Mg-Al合金的的导热及导电系数，(d)退火态、铸态及固溶态Mg-9Al合金的导热及导电系数,16,-,(a)铸态及固溶态Mg-Zn合金的热扩散系数，(b)Mg-Zn合金的比热容及密度，(c)铸态及固溶态Mg-Zn合金的的导热及导电系数，(d)退火态、铸态及固溶态Mg-6Zn合金的导热及导电系数,17,-,(a)铸态及固溶态Mg-Sn合金的热扩散系数，(b)Mg-Sn合金的比热容及密度，(c)铸态及固溶态Mg-Sn合金的的导热及导电系数，(d)退火态、铸态及固溶态Mg-9Sn合金的导热及导电系数,18,-,(a)铸态及固溶态Mg-Zr合金的热扩散系数，(b)Mg-Zr合金的比热容及密度，(c)铸态及固溶态Mg-Zr合金的的导热及导电系数，(d)退火态、铸态及固溶态Mg-0.5Zr合金的导热及导电系数,19,-,(a)铸态及高温热处理态Mg-Mn合金的热扩散系数，(b)Mg-Mn合金的比热容及密度，(c)铸态及高温热处理态Mg-Mn合金的的导热及导电系数，(d)退火态、铸态及高温热处理态Mg-0.5Mn合金的导热及导电系数,20,-,铸态及高温热处理态Mg-Ca合金的热扩散系数，(b)Mg-Ca合金的比热容及密度，(c)铸态及高温热处理态Mg-Ca合金的的导热及导电系数，(d)退火态、铸态及高温热处理态Mg-0.5Ca合金的导热及导电系数,21,-,合金元素对镁基体导热导电性能影响分析根据Mattiessen准则，镁合金的电阻率()，即电导率的倒数可通过下式计算得出，其中，和分别表示温度，固溶原子及析出相对电阻率的贡献。,22,-,值得注意的是，杂质元素及组织缺陷(如位错和晶界等)对电阻率的影响可以忽略。特别的，人们一直接受的事实是，合金元素固溶在基体中对电阻率增加的贡献比其以析出相的形式析出基体后对电阻率的影响高几个数量级。因此，直观的理解是，对成分固定的合金来说，第二相的析出过程将导致其对应电导率的增加。,23,-,对于所有的铸态Mg-Al，Mg-Zn，Mg-Sn，Mg-Zr合金以及Mg-xCa(x0.1wt.%的过饱和Mg-Mn合金中析出。,25,-,此外，Mattiessen准则表明对纯金属来说，只有由热激发产生的晶格排列错乱导致电子和声子的交互作用从而影响该合金对应的导热导电系数。然而对于合金来说，在合金浓度较低时，添加的溶质原子将会对晶格扭