材料的热传导

材料热传导,By:程三信2010050114,一、材料的热传导1热传导的概念当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动传向冷端，这个现象称为热传导。2热传导定律：（傅立叶定律）,第四节热传导,式中的常量称为导热率（或导热系数），dT/dx称为x方向上的温度梯度。,3热传率：一定的温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。,导热系数的物理意义是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，所以它的单位为w(m2K)或J(m2sK)。上式中负号表示热流是沿温度梯度向下的方向流动。即：dT/dx0，热量沿x轴正方向传递；dT/dx0时，Q0，热量沿x轴负方向传递。,固体导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现。某一质点处于较高的温度状态，它的热振动就较为强烈，振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动就会加剧，热振动能量就增加，热量就能转移和传递。1声子和声子热导温度不太高时，主要考虑声频支格波的作用。,二、热传导的微观机理,（1）声子概念：声频波的量子称为声子。在温度不太高时，光频支格波的能量是很微弱的。因此，在温度不太高的导热过程中，主要是声频支格波有贡献。声子热导的理论假设：把格波的传播看成是质点-声子的运动，就可以把格波与物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞，把格波在晶体中传播时遇到的散射看作是声子同晶体中质点的碰撞，把理想晶体中热阻归结为声子-声子的碰撞。,一个谐振子的能量变化不能取任意值，只能是取量子能量的整数倍晶格振动中的能量是量子化的。声频波的“量子”称为“声子”，能量是h。,(2)理想气体的导热公式：,v是声子平均速度，c是声子的体积热容，l是声子的平均自由程。,(3)晶体材料晶体热传导是声子碰撞的结果（固体热导率的普遍形式）：声子间的碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源。晶格热振动是非线性的，格波间有一定的耦合作用。格波间相互作用愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。,2光子热导（1）光子热导概念固体具有能量辐射出电磁波（热辐射）光子的导热。可以把热射线的导热过程看作是光子在介质中传播的导热过程。（2）单位体积绝对黑体的辐射能量。,（3）辐射传热中容积热容：由于辐射传热中，容积热容相当于提高辐射温度所需的能量，所以,式中，斯蒂芬波尔兹曼常数；n折射率；光速。,（4）辐射能的传导率,又因为辐射线在介质中的速度vr=v/n，以及上式代入式,可得到辐射能的传导率r:lr是辐射线光子的平均自由程。r就是描述介质中这种辐射能的传递能力。,(1)lr与介质透明度的关系对于辐射线是透明的介质，lr较大，热阻很小；对于辐射线不透明的介质，lr就很小；对于完全不透明的介质，lr=0,在这种介质中，辐射传热可以忽略。(2)lr与光子的吸收、散射的关系吸收系数大的不透明材料，lr小，即使在高温时，光子传导也不重要。在无机材料中，主要是光子的散射问题，这使得lr比玻璃和单晶都小，只是在1500以上，光子传导才是主要的。材料的辐射导热性能取决于材料的光学性能。,三、影响材料热传导性能的因素,温度的影响,由上图可知：(1）在很低温度下l：已增大到晶粒的大小，达到了上限，因此，l值基本上无多大变化；cr（热容）：在低温下与T3成正比；v：常数。所以，也近似与T3成比例地变化。随着温度升高，迅速增大。（2）温度继续升高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；l值因温度升高而减小，并成了主要影响因素。因此，值随温度升高而迅速减小。（3）在更高的温度下cv已基本上无变化；l值也渐趋于下限。所以，随温度的变化变得缓和。在达到1600K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。,热容Cv在低温下与温度的3次方成正比，随着温度的升高，迅速增加。低温处(约40K)值出现了极大值。在德拜温度以后，Cv已趋于一恒定值，而l值因温度升高而减小,随温度升高而迅速减小。晶体材料，在常用温度范围热导率随温度的上升而下降。,金属材料当其温度超过一定值后热导率随温度的升高而下降。,2晶体微观结构的影响,物质种类不同，导热系数随温度变化的规律也有很大不同。（1）气体随温度上升，导热系数增大。（2）金属材料在温度超过一定程度以后，热导率随温度的上升而缓慢下降。（3）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。,几种单晶和多晶体热导率与温度的关系。从图可见：由于多晶体中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以热导率小。低温时多晶的热导率与单晶的平均热导率一致，但随着温度升高，差异迅速变大。这也说明了晶界、缺陷、杂质等在较高温度下对声子传导有更大的阻碍作用。单晶在温度升高后比多晶在光子传导方面有更明显的效应。,3化学组成的影响,原子量与的关系由图可知：一般说来，质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模愈大，德拜温度愈高，则热导率愈大。,晶体中的缺陷及杂质的影响由图可知：晶体中存在的各种缺陷和杂质会导致声子的散射，降低声子的平均自由程，使热导率变小。固溶体的形成同样也降低热导率，而且取代元素的质量和大小与基质元素相差愈大，取代后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大.,4复相材料的热导率,左图中粗实线表示MgO与MgO-Si02系统实测的热导率曲线，细实线是按上式的计算值。可见，在含MgO和Mg2SiO4较高的两端，计算值与实验值是很吻合的。,c,d，分别为连续相和分散相物质的热导率，d为分散相的体积分数。,随着气孔率的增大，热导率按比例减小。粉末和纤维材料，其热导率比烧结状态时又低很多。金属和合金，自由电子对热传导起支配因素。,