材料物理性能 热传导

材料的热学性能—热导率报告人：王晓岚时间：2012.11.23一、固体材料热传导的宏观规律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，这个现象称为热传导。傅里叶定律：，它只适用于稳定传热的条件，即是常数。式中，λ＝导热系数，它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，单位为J/(m2·S·k)。

＝x方向上的温度梯度。材料的热传导当＜0时ΔQ＞0，热量沿x轴正方向传递。＞0时，ΔQ＜0，热量沿x轴负方向传递。对于非稳定传热过程：式中：＝密度（density），

＝恒压热容。二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism）气体导热——质点间直接碰撞；金属导热——自由电子间碰撞；固体导热——晶格振动（格波）＝声子碰撞，并且格波分为声频支和光频支两类。

根据量子理论、一个谐振子的能量是不连续的，能量的变化不能取任意值，而只能是最小能量单元——量子（quantum）的整数倍。一个量子所具有的能量为hv。晶格振动的能量同样是量子化的。声频支格波（acousticfrequency）—弹性波—声波（acousticwave）—声子。把声频波的量子称为声子，其具有的能量为hv=hω

，固体热传导公式：式中，C＝声子体积热容，l＝声子平均自由程（meanfreedistance），＝声子平均速度（meanvelocity）。

1.声子和声子传导2．光子热导（photonconductivityofheat）固体中除了声子的热传导外，还有光子的热传导。其辐射能量与温度的四次方成正比，例如，黑体单位容积的辐射能。式中，——斯蒂芬—波尔兹曼常数，n——折射率，——光速。

由于辐射传热中，容积热容相当于提高辐射温度所需能量同时则：式中，lr＝辐射线光子的平均自由程，＝描述介质中这种辐射能的传递能力，取决于光子的平均自由程lr。对于无机材料只有在1500℃以上时，光子传导才是主要的。三、影响热导率的因素由于无机材料中热传导机构和过程是很复杂的，下面只定性讨论（qualitativeanalysis）热导率的主要因素：1．温度（temperature）

a.在温度不太高的范围内，主要是声子传导

b.热容C在低温下与T3成正比，所以λ也近似与T3成正比。

c.

声子平均自由程l随温度升高而降低。实验表明，低温下l值的上限为晶粒的线度，高温下l值的下限为晶格间距。

d.例如Al2O3在低温40k处，λ值出现极大值，见图3.9。2．显微结构的影响（micro-structure）（1）结晶构造的影响

声子传导与晶格振动的非谐性有关，晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大，格波受到的散射愈大，因此，声子平均自由程较小，热导率较低，见图3.10。（2）各向异性晶体的热导率非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性。温度升高，晶体结构总是趋于更好的对称。因此，不同方向的λ差异变小。（3）多晶体与单晶体的热导率由于多晶体中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、杂质也多，声子更易受到散射，它的l小得多，因此

l小，故对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶小。见图3.11。（4）非晶体的热导率非晶体导热系数曲线如图3.12。①在OF段中低温（400～600K）以下，光子导热的贡献可忽略不计。声子导热随温度的变化由声子热容随温度变化规律决定。

②

从Fg段中温到较高温度（600～900K），随温度升高，声子热容趋于一常数，故声子导热系数曲线出现一条近平行于横坐标的直线。若考虑到此时光子导热的贡献，Fg变成Fg’段。

③gh段高温以上（＞900K），随着温度升高，声子导热变化不大，相当于gh段。但考虑光子导热贡献，则为

gh→g’h’。

晶体与非晶体导热系数曲线的差别：①非晶体的导热系数（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体的小。②在高温下，二者比较接近，因为声子热容在高温下都接近3R。

③非晶体与晶体导热系数曲线的重大区别是前者没有导热系数峰值点m。见图3.13。这也说明非晶体物质的声子平均自由程在所有温度范围内均接近为一常数。3．化学组成的影响质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率λ愈大。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。四、某些材料的热导率

通常低温时有较高热导率的材料，随着温度升高，热导率降低。而低热导率的材料正相反。前者如Al2O3,BeO和MgO等。

式中：T—热力学温度（K）；A—常数，例如：=16.2，=18.8，=55.4。上式适用的温度范围，Al2O3和MgO是293～2073K，BeO是1273～2073K。

玻璃体的导热率随温度的升高而缓慢增大。高于773K,由于辐射传热的效应使导热