固体材料热物理性质讲义

1、固体材料导热性能的机制、影响因素及优化固体材料导热性能的机制、影响因素及优化奚同庚中国科学院上海硅酸盐研究所1959 ：毕业于北京科技大学,同年起在中科院上海硅酸盐研究所工作1963 ：助研，课题组长1981 ：副研，室主任1985 ：研究员、博导19831991： 副所长研究方向研究方向：材料热物性学，热功能材料，能源技术 论文论文：已发表150余篇，其中国外发表70余篇（J. Appl. Phy., Trans.J.Br. Ceram. Soc.,Ferroelectrics, J. Mat., Sci. Let., Inter. J. Thermophysics, Thermochimi

2、ca Acta, 等） 获奖获奖：8项成果奖 国家科技进步奖3项，二等奖2项，三等奖1项中科院进步奖5项，一等奖1项，二等奖4项奚同庚 简历 著作著作：12本（无机材料热物性学，高温涂层，热分析质谱法，固体热物理性质导论理论与测量等） 兼职兼职：1985年起先后兼任中国科技大学、同济大学、华东理工大学、上海科技大学、香港中文大学兼职教授学会学会：上海市国家突出贡献专家协会副会长中国计量学会理事、热物理专业委员会副主任上海计量测试学会理事长 ATPC 国际热物性会议常务理事中科院能源委员会委员上海绝热工程和材料应用委员会主任 其它其它：1988年被国家人事部授予“中青年突出贡献专家”称号 198

3、8年评为上海市劳动模范 1989年国防科工委授予献身国防科技事业荣誉奖章 19932003年上海市第八、第九届政协委员目录目录前言前言1.1.热的微观理论热的微观理论. .固体导热机制概述固体导热机制概述2.2.导热载体类别导热载体类别3.3.导热系数理论曲线的实验验证导热系数理论曲线的实验验证7.7.与其他物性的关联性与其他物性的关联性4.4.工程材料导热因子的理论分析工程材料导热因子的理论分析.影响材料导热系数的物理、化学因素影响材料导热系数的物理、化学因素1.1.温度温度2.2.体积密度体积密度4.4.化学成分化学成分3.3.晶体结构晶体结构5.5.气孔气孔6.6.晶粒、晶界、缺陷、微裂

4、纹晶粒、晶界、缺陷、微裂纹目录目录.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.1.相变的导热研究相变的导热研究5.5.微裂纹的导热研究微裂纹的导热研究2.2.电畴的导热研究电畴的导热研究3.3.晶态物质导热的非晶态行为晶态物质导热的非晶态行为4.4.晶界状态的导热研究晶界状态的导热研究 . .热功能材料热性能的优化和设计热功能材料热性能的优化和设计前言前言热物理性质热物理性质输运性质：导热系数、导温系数、热膨胀、热辐射、粘度输运性质：导热系数、导温系数、热膨胀、热辐射、粘度热力学性质：比热、热焓热力学性质：比热、热焓热物性学研究范畴热物性学研究范畴1.1.

5、热物性测试方法和技术研究热物性测试方法和技术研究2.2.热物性物理模型和机制研究热物性物理模型和机制研究3.3.热物性变化规律及影响因素研究热物性变化规律及影响因素研究4.4.宏观热物性与微观结构、显微组织、化学成分间关系研究宏观热物性与微观结构、显微组织、化学成分间关系研究5.5.热物性数据判读及数据库建立热物性数据判读及数据库建立热物性在基础科学和工程技术中的作用热物性在基础科学和工程技术中的作用航天技术航天技术宏观热障宏观热障ICIC和和ITIT技术技术微观热障微观热障能源技术和动力工程能源技术和动力工程热装置的热设计热装置的热设计热过程的热分析热过程的热分析热功能材料的删选及优化热功能

6、材料的删选及优化研究材料微观结构变化的一种新方法研究材料微观结构变化的一种新方法1.1.热的微观理论热的微观理论热的动力学理论热的动力学理论热是一种关联到分子、原子、电子等以及其组热是一种关联到分子、原子、电子等以及其组成部分的移动、转动和振动的能量成部分的移动、转动和振动的能量2.2.导热载体类别导热载体类别(1).(1).分子导热分子导热分子碰撞分子碰撞(2).(2).电子导热电子导热电子碰撞电子碰撞(3).(3).声子导热声子导热声子碰撞声子碰撞(4).(4).光子导热光子导热光子碰撞（较高频率的电磁辐射能）光子碰撞（较高频率的电磁辐射能）介电体中：热量传导是由晶格振动（格波）实现的介电

7、体中：热量传导是由晶格振动（格波）实现的波动说波动说格波的能量传导又具有量子化特征格波的能量传导又具有量子化特征量子说量子说格波传递能量的速度为该物质中的等效声速，因此把格波传递能量的速度为该物质中的等效声速，因此把量子化的以等效声速传递的晶格振动称为量子化的以等效声速传递的晶格振动称为“声子声子”因此、导热的机理必然与组成物质的微观粒子的运动与相互作用有关。因此、导热的机理必然与组成物质的微观粒子的运动与相互作用有关。. .固体导热机制概述固体导热机制概述对于以上四种导热载体的导热系数都用一个通式表示：对于以上四种导热载体的导热系数都用一个通式表示：iiiviLVC31导热载体的体积热容导热

8、载体的体积热容导热载体在物质内传递速度导热载体在物质内传递速度导热载体相互碰撞的平均自由程导热载体相互碰撞的平均自由程viCiViL3.3.导热系数理论曲线的实验验证导热系数理论曲线的实验验证 随随T T 变化规律变化规律对方程（对方程（1 1）各项与温度的关系，求出）各项与温度的关系，求出 理论曲线理论曲线实测的实测的 值曲线值曲线对比验证对比验证（1 1）无机非金属材料（陶瓷等）无机非金属材料（陶瓷等）陶瓷材料（晶体）导热系数的理论曲线陶瓷材料（晶体）导热系数的理论曲线单晶氧化铝的导热系数单晶氧化铝的导热系数的实测曲线的实测曲线校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数的实测曲线校正到理论密度

9、后的多晶氧化物的导热系数的实测曲线校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数石墨和的石墨和的SiCSiC导热系数曲线导热系数曲线玻璃等非晶体材料导热系数的理论曲线玻璃等非晶体材料导热系数的理论曲线11声子导热和光子导热的贡献声子导热和光子导热的贡献 22声子导热的贡献声子导热的贡献（2 2）非晶态材料）非晶态材料非晶态材料可看成是近程有序、远程无序的结构非晶态材料可看成是近程有序、远程无序的结构石英玻璃的实测导热系数曲线石英玻璃的实测导热系数曲线几种不同组分玻璃的实测导热系数曲线几种不同组分玻璃的实测导热系数曲线金属导热系数的理论曲线金属导热系数的理论曲线（3

10、 3）金属材料）金属材料金属导热系数的实测曲线金属导热系数的实测曲线4.4.工程材料的导热因子分析工程材料的导热因子分析（1 1）典型工程材料导热因子构成）典型工程材料导热因子构成有效导热系数有效导热系数 的概念的概念导热、对流、热辐射三种传播方式对导热导热、对流、热辐射三种传播方式对导热性能按权重的综合贡献性能按权重的综合贡献ee(,),(,),eSSCSFSMRRGRSGCf SSCSFSMRRGRSGC导热、辐射和对流三种传热方式对有效导热系数的贡献可分解成若干导热、辐射和对流三种传热方式对有效导热系数的贡献可分解成若干导热因子，绝热材料有效导热系数导热因子，绝热材料有效导热系数 可由下

11、列导热因子组成：可由下列导热因子组成：式中式中固相导热因子，包括非金属晶态相导热因子固相导热因子，包括非金属晶态相导热因子 （声子），（声子），玻璃相导热因子玻璃相导热因子 （声子），金属相导热因子（声子），金属相导热因子 （电子）（电子）辐射导热因子，包括气相辐射导热因子，包括气相( (气孔内气孔内) )辐射导热因子辐射导热因子 ，固相辐射导热因子固相辐射导热因子 （光子）（光子）气相热导导热因子（分子）气相热导导热因子（分子）气相对流导热因子（分子）气相对流导热因子（分子）热热面面冷冷面面非金属固体导热非金属固体导热( (声子）声子）气孔内气体导热和对流气孔内气体导热和对流( (分子）分子

12、）绝热材料热传递原理图绝热材料热传递原理图热辐射（光子）热辐射（光子）微孔硅酸钙电镜照片微孔硅酸钙电镜照片气孔尺寸气孔尺寸202080 um80 um聚氨酯泡沫电镜照片聚氨酯泡沫电镜照片气孔尺寸气孔尺寸150150300 um300 um(2).(2).导热因子随材料密度和温度变化规律导热因子随材料密度和温度变化规律1 1绝热材料有效导热系数绝热材料有效导热系数e e 2 2绝热材料气相导热因子的贡献绝热材料气相导热因子的贡献3 3绝热材料中的辐射导热因子贡献绝热材料中的辐射导热因子贡献 4 4绝热材料对流导热因子贡献绝热材料对流导热因子贡献 5 5绝热材料中的固相导热因子贡献绝热材料中的固相

13、导热因子贡献32316TLnRR辐射导热因子辐射导热因子因此，当温度从因此，当温度从65 538 时时 贡献贡献R典型绝热材料在典型绝热材料在6565和和538538时时不同体积密度下不同体积密度下各种导热因子对各种导热因子对 的贡献的贡献 e.影响材料导热系数的物理、化学因素影响材料导热系数的物理、化学因素1.1.温度（室温以上）温度（室温以上）(1).(1).晶态无机非金属材料晶态无机非金属材料(2).(2).非晶态无机非金属材料非晶态无机非金属材料(3).(3).多孔绝热材料和轻质砖多孔绝热材料和轻质砖(4).(4).金属材料金属材料2. 2. 体积密度体积密度 ，(1).(1).陶瓷材

14、料：陶瓷材料：500500以下，气孔率以下，气孔率P P 400.1dp0.1厘米厘米; ;7. 7. 辐射导热，辐射导热，dp=0.01dp=0.01厘米；厘米；8. 8. 辐射导热，辐射导热，dp=0.005dp=0.005厘米。厘米。5.5.气孔气孔(1).(1).气孔率气孔率(2).(2).气孔形态（封闭与连通，层状气孔）气孔形态（封闭与连通，层状气孔）(3).(3).多孔尺寸：气孔直径多孔尺寸：气孔直径 ， 强度强度 RGCKCl KCl 晶体热阻与晶粒尺寸和温度的关系晶体热阻与晶粒尺寸和温度的关系6.6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹晶粒、晶界、缺陷、微裂纹(1).(1).晶粒尺寸晶粒尺

15、寸 ，e(3).(3).缺陷：类型、浓度缺陷：类型、浓度(2).(2).晶界尺寸与成分晶界尺寸与成分多晶多晶TiO2热处理对导热系数的影响热处理对导热系数的影响(4).(4).微裂纹微裂纹7.7.与其他物性的关联性与其他物性的关联性(1).(1).理论密度理论密度，小，小， 大，则大，则 大大 (2).(2).压缩系数压缩系数x或弹性模量或弹性模量E: x 或或E大，大， 大，则大，则 大大(3).(3).原子量原子量A: : A小，小， 大，大， 大大(4).(4).晶体结合能晶体结合能DeDeDe热膨胀系数热膨胀系数熔点熔点Tm结合能大结合能大热膨胀系数热膨胀系数 小小熔点熔点Tm 高高e

16、大大.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.1.相变的导热研究相变的导热研究Thermal diffusivity and dielectric constant of LiTaO3 single crystal,versus temperature引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869 Thermal diffusivity, thermal conductivity, and dielectric constant of PbTiO3 ceramic, versus temperature 引自引自Ferroel

17、ectrics,1981. Vol.38, p869Thermal diffusivity and dielectric constant of doped PZT(45/55) ceramic, versus temperature引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869Specific heat of doped PZT(96.5/3.5) ceramic, versus temperatureThermal expansivity of doped PZT(96.5/3.5) ceramic, versus temperatureSpecific hea

18、t of doped PZT(97.5/2.5) ceramic, versus temperature引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p8692.2.电畴的导热研究电畴的导热研究Thermal diffusivity and dielectric constant of doped PbNb2O6引自引自High Temp.-High Press. 1985. Vol.17, p3653.3.晶态物质导热的非晶态行为晶态物质导热的非晶态行为Temperature dependence of the thermal conductivity of Sr0.52Ba0.48Nb2O6 single crystal. :Ka; :Kc The solid curve denotes the thermal conductivity of Sr0.45Ba0.55Nb2O6 along an unspecified direction3Temperature dependence of the specific heat of Sr0.52Ba0.48Nb2O6 single crystal. 引自引自 J. Appl. Phys. 71(1),1,199