材料的热传导(材料物理性能)ppt课件

.主要用于测量材料的隔热和导热性能，在热能工程、制冷技术、工业炉设计、工件加热和冷却、住宅供暖和空调、燃气轮机叶片等一系列技术领域具有重要的应用意义。第4节材料的热传导。热传导在实际工作中有什么应用？热传导：当固体材料一端的温度高于另一端时，热量自动从热端传递到冷端。2.稳定传热状态传热公式稳定传热：在传热过程中，材料在X方向各处的温度T是恒定的，与时间无关，并且Q/t是恒定的。1。固体材料热传导的宏观定律，如果固体材料垂直于X轴方向的截面积为S，材料沿X轴方向的温度变化率为dT/dx，在t时间内通过S截面沿X轴正方向传递的热量为Q，对于各向同性材料，传热公式为：公式中的常数称为热导率(或导热系数)，dT/dx称为X轴方向的温度梯度：单位长度的温度变化。傅立叶定律只适用于稳定的传热条件。稳定传热公式。嘿。3.温度梯度的含义温度梯度是一个矢量，其方向指向沿热流的温度上升方向，负号表示沿热流的温度下降方向。即当dt/dx 0时，热量沿x轴正向传递；当dt/dx 0， q 0时，热量沿x轴的负方向传递。4.导热率导热率的物理含义是指在单位温度梯度中通过单位垂直区域的热量，因此其单位为W/(M2K)或J/(M2SK)。不稳定传热不稳定传热过程：物体各部分的温度随时间变化。不稳定传热的温度公式：例如，如果一个物体与外界没有热交换，并且具有温度梯度，随着时间的推移，温度梯度接近零，热端的温度将持续降低，冷端的温度将持续升高，最终达到一致的平衡温度。物体内单位面积温度随时间的变化率为，其中为密度，cP为恒压热容。T1小，振动模式少：个，振动幅度小，用较少的声子激发较少的声子，t大，振动模式多：个，振动幅度大，用较多的声子激发较多的声子，声子热传导，平衡：相同数量的振动模式，相同数量的振动幅度，相同数量的声子用相同数量的声子激发，dT/dx(温度梯度)，Q=-dT/dx(能量流密度)J/s . cm2/单位时间，热能固体材料热传导的微观机制，金属：金属中有大量的自由电子，电子的质量很轻，而且热传递可以很快实现。因此，金属通常具有更高的热导率。虽然晶格振动也有助于金属热传导，但它只是次要的。1.固体导热载体。固体材料的热传导主要通过晶格振动的晶格波(声子)来实现。光子传热在高温下也是可能的。电子热传导是金属材料的主要组成部分。在非金属晶体中，晶格振动是非金属晶体的主要热传导机制，晶格振动的晶格波分为声频分支和光频分支。由于粒子间的相互作用力，振动较弱的粒子在振动较强的粒子的影响下，振动会加剧，热运动能会增加。热量可以传递和传递，使得整个晶体中热量从较高温度传递到较低温度，产生热传导现象。在微观热传导过程中，我们可以看到热量是通过晶格振动的晶格波传递的。晶格波可以分为两种类型：音频麸(3)假设提出的方案利用气体热传导的概念来处理声子热传导问题。4)电导率的表达式基于气体热传导的经典分子动力学。气体热传导是气体分子碰撞的结果，晶体热传导是声子碰撞的结果。它们的热导率也应该有相似的数学表达式。气体的热传导公式是，通过将上述结果移植到晶体材料中，可以导出相同的声子碰撞传热公式。嘿。c:气体分子每单位体积的比热-声子每单位体积的比热；v:气体分子的速度-声子的速度；l:气体分子的平均自由程-声子的平均自由程。平均自由程：声子在两次碰撞中行进的路径称为声子自由程，在高温下接近常数，在低温下随T3变化。声速v是常数。主要讨论了影响声子自由程的因素。(5)固体导热系数的常见形式：(5)声子之间的碰撞减少了声子的平均自由程：在许多晶体中，晶格热振动是非线性的，晶格粒子之间存在耦合，声子碰撞，从而减少了声子的平均自由程。晶格波之间的相互作用越强，即声子之间的碰撞概率越大，相应的平均自由程越小，热导率越低。声子碰撞产生的散射晶格是热阻的主要来源。(6)影响热导率的声子散射(声子的平均自由程L)主要有四种机制：(1)kN=0形成的新声子的动量方向与原来两个声子的方向一致，此时没有太多热阻。-正常过程，声子碰撞过程，晶体中的各种缺陷、杂质和晶粒界面会引起晶格波散射，这也相当于声子平均自由程的减少，从而降低热导率。散射强度与点缺陷的大小和声子的相对波长有关。在低温下，它是一种长波，其波长远大于点缺陷的波长。据估计：波长da/t，长波长的晶格波，容易绕过缺陷并增加自由程，因此频率小，波长长，平均自由程l大，散射小，热导率大。在低温下，最长的平均自由程与晶粒尺寸一样长。在高温下，声子的波长与点缺陷的大小相似，点缺陷引起的热阻与温度无关。平均自由程是常数。在高温下，最小平均自由程等于几个晶格间距。点缺陷、不同频率和不同波长的晶格波的散射。位错附近有一个应力场，导致声子散射，这与T2成正比。平均自由程与T2成反比。晶界散射，声子平均自由程随温度降低而增加，当晶粒尺寸小时增加到一个常数。晶界散射与晶粒直径D成反比，平均自由程与D成正比.位错散射。导热率与温度的关系。1)热射线固体中的分子、原子和电子振动并旋转电磁波(光子)，2)光频分支(光子热导率)，具有强热效应的电磁波在可见光区域和部分波长为0.4-40m的近红外光区域，这部分辐射称为热射线。2)热辐射：热辐射的传递过程热辐射。热辐射在固体中的传播过程与光在介质中的传播过程相似，包括光的散射、衍射、吸收、反射和折射。3)光子传导：光子在介质-光子传导过程中的传播过程。热辐射传热：当温度不太高时，固体中的电磁辐射能量很弱，这在高温时很明显。固体中辐射传热过程的定性解释：传热过程：当介质中存在温度梯度时，相邻体积之间温度高的体积元辐射更多的能量，吸收更少的能量；温度较低的体积元素正好是斯蒂芬玻尔兹曼常数(5.6710-8w/(m2.k4)，n是折射率，是光速(31010厘米/秒)。6)传导率，5)体积热容量，lr:辐射光子的平均自由程。6)电导率，lr:是辐射光子的平均自由程。(5)体积热容体积热容相当于提高辐射温度所需的能量，因此，对于辐射透明的介质，热阻很小而lr相对较大，如单晶和玻璃，773-1273 k的辐射传热明显；对于辐射不透明的介质，Lr非常小。大多数陶瓷、一些耐火材料在1773K有明显的辐射；对于完全不透明的介质，Lr=0，其中辐射传热可以忽略。8)光子的平均自由程lr，介质的影响：透明材料具有小的吸收系数，当温度为几百度()时，光辐射是主要的；即使在高温下，具有大吸收系数的不透明材料对于光子传导也不重要。在非金属材料中，主要由于光子散射，lr小于玻璃和单晶。仅在1500以上，光子传导是主要因素。光子吸收和散射，影响热导率的因素是公式中的参数：v: v是声子的平均速度，是常数。只有当温度较高时，介质的弹性模量迅速降低，而v由于介质结构的松弛而蠕变而降低。C: C是声子的体积热容。热容量C在低温下与T3成正比，当它超过德拜温度时趋于一个恒定值。声子平均自由程随着温度的升高而降低。3.影响热导率的因素主要是声子传导和不太高温度范围内的热导率。1.温度的影响。(1)气体的热导率随着温度的升高而增加。(2)温度超过一定水平后，金属材料的热导率随温度的升高而缓慢下降。(3)在实际温度范围内，难熔氧化物多晶材料的热导率随着温度的升高而降低。(4)非致密耐火材料的导热系数随着温度的升高而略有增加，这是由于气孔的导热作用。0400800120016002000、10.10.010.0010.0001、铂、石墨、碳化硅、粘土耐火砖、二氧化硅玻璃、粉末氧化镁、28000F隔热砖、20000F隔热砖、氧化镁、氧化铝、氧化锆、温度(0C)、BeO、密度越低，德拜温度越高，结合能越大，热导率越大。2.在化学成分的影响下，粒子的原子量越小，密度越低，德拜温度越高，热导率越大。在线性谐波振动中，几乎没有由非线性振动引起的热阻。晶格偏离共振越大，热阻越大。1)原子量与的关系，2)晶体中缺陷和杂质的影响晶体中的各种缺陷和杂质会引起声子散射，减少声子的平均自由程，并降低热导率。固溶体的形成也降低了热导率，取代元素和基体元素的质量和尺寸差异越大，取代后结合力的变化越大，对热导率的影响越大。缺陷和杂质的影响与温度有关：(1)低温时，随着温度的升高，缺陷和杂质的影响增大。(2)当温度高于德拜温度的一半时，这种效应与温度无关。金刚石的热导率高于任何其他材料，通常用于固体器件的衬底。例如：GaAs激光可以输出高功率。由原子量较低的正离子形成的氧化物和碳化物具有较高的导热系数，如：BeO、碳化硅，晶体是替代的固溶体，当化合物未计量时，导热系数降低。化学成分复杂的固体导热系数小，如氧化镁、氧化铝和镁铝酸盐结构，而镁铝酸盐导热系数低，二氧化硅莫来石比尖晶石小。晶格波的散射越大，声子的平均自由程越小，热导率越低。2)各向异性的热导率随着晶体取向的不同，导热系数也不同。例如，石墨和氮化硼是层状结构，比层间结构大4倍。它们在空间技术中被用作屏蔽材料。当温度升高时，不同方向的导热率差异减小。这是因为随着温度的升高，晶体结构趋于更加对称。多晶体和单晶的导热系数与单晶的导热系数相同，多晶体的导热系数总是低于单晶的导热系数。多晶材料有许多缺陷，声子容易散射，平均自由程小，热导率小。在低温下，多晶的导热系数与单晶的平均导热系数一致，并且随着温度的升高，差异变大。因为晶界、缺陷、杂质等。在高温下减少声子热传导，并且多晶光子传导比单晶少，在使用光子传导的高温下差异变大。(4)非晶态的热导率表明，在所有温度下，非晶态的声子热导率都小于晶态。两者在高温下很接近。两条曲线的主要区别是晶体有一个峰值。玻璃的热传导主要由热容量与温度的关系决定，在较高温度以上应考虑光子热传导的贡献。(1)玻璃的热导率对于极细晶粒的玻璃，声子的平均自由程在不同的温度下基本上是恒定的，其值大约等于几个晶格间距。根据声子热传导公式(3.43):(2)玻璃的导热系数与温度的关系(1)低于中低温(400-600K):即玻璃的导热系数随温度的升高而增加。当处于图3.17中的“关闭”部分时。(2)从中温到高温(600-900K):声子热传导不再随温度升高而增加。非晶导热率曲线，导热率曲线出现一条几乎平行于横坐标的直线，相当于图中的Fg截面。如果考虑到光子热传导在总热传导中的贡献此时已经开始增加，则在图中为Fg部分。随着温度的进一步升高，声子热导率变化不大，相当于图中的gh截面。随着光子平均自由程的明显增加，光子热导率r将随着温度的三次幂而增加。它相当于图中的gh节。(1)在所有温度下，非晶的声子热导率都小于晶体的声子热导率；(2)晶体和非晶材料的热导率在高温下接近；(3)晶体物质的-T有峰点M，而无定形物质没有。晶体和非晶材料的热导率曲线。6)玻璃成分对-T的影响由于非晶材料独特的无序结构，声子的平均自由程被限制在几个单元间距的数量级，因此成分对其影响很小。图3.19中几种玻璃的成分差别很大，但热导率的差别较小。这表明玻璃成分对其热导率的影响小于晶体材料。几种不同组成玻璃的热导率曲线。钠玻璃。2.熔化二氧化硅；3.耐热玻璃；4.铅玻璃。当晶体和非晶同时存在时，通常情况下，晶体和非晶共存材料的热导率曲线往往介于晶体和非晶的热导率曲线之间。可能有三种情况：当材料含有比非晶相更多的晶体时，热导率随温度升高而降低。在高温下，热导率基本上不随温度变化。(2)当材料中的非晶相大于晶相时，热导率随温度的升高而增加；(3)当材料中包含的非晶相大于晶相时，热导率可以在一定范围内保持恒定。复合材料的导热系数，体积分数较小的相为连续相(如液相)，两相材料的相分布模型为层状模型，体积分数较大的相为连续相，取决于各相的导热系数和热流方向：热流方向与各层平行，两相的温度梯度相同， 那么平行系统的热阻率的倒数等于各层热阻率的倒数之和：当两相的热导率相差很大时，=V