固体材料的热传导及抗热震性.ppt
2023/11/12,1,第三章 固体材料的热传导、抗热震性能及热电性能,P257 5.3 材料的导热性P280 5.5 材料的热稳定性P288 5.6 材料热导率的测量方法P268 5.4 热电性,2023/11/12,2,3-1 固体材料的热传导,一、固体材料热传导的宏观规律 x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地传向冷端，这个现象称为热传导。对于各向同性物质，热传导符合付立叶定律，即,T1 T1T2 T2,2023/11/12,3,（3-1）式也可写成：,热导率的物理意义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直截面积的热量。单位：J.M-1.S-1.K-1或W.m-1.K-1。,金属=50415 W/（m.K)合金=12120 W/（m.K)绝热材料=0.030.17 W/（m.K)非金属液体=0.170.7W/（m.K)大气压气体=0.0070.17 W/（m.K),2023/11/12,4,付立叶定律只适用于稳定传热的条件下，即传热过程中，材料在x方向上各处的温度T是恒定的、与时间无关，即Q/t是一个常数。对于不稳定传热过程，存在以下关系式：,2023/11/12,5,热阻：热量传递所受的阻力，单位W.K-1。详见热导的微观机理。,2023/11/12,6,二、固体材料热传导的微观机理,气体传热-依靠分子的碰撞来实验。液体-对流和分子碰撞。固体-原子的位置固定，只能在格点附近作热振动，不能靠原子碰撞传热。固体传热依靠晶格振动的格波（声子）和自由电子的运动以及电磁辐射（光子）来实现。对于金属-以电子传热为主，自由电子多，且质量小，所以能迅速的传热。其较高，格波的贡献很次要。对于非金属晶体，如离子晶体自由电子极少，晶格振动是他们的主要导热机制。,2023/11/12,7,材料的热导率=ph+e+l这里ph为声子热导率（晶格热导率），e为电子热导率，l为光子热导率。1、电子热导对于纯金属，导热主要依靠自有电子，而合金导热就要同时考虑声子的贡献。对于良好的金属导体，金属中存在大量的自由电子可以近似看成电子气，那么借用理想气体热导率公式：,2023/11/12,8,2023/11/12,9,2、声子和声子热传导 设晶格中一质点处于较高的温度状态下，它的热振动较强烈，而其邻近质点处的温度较低，热振动较弱，由于质点间存在相互作用力，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，所以热量就能转移和传递，使在整个晶体中热量会从温度高处传向低温处，产生热传导现象。前面讨论热容时已知：格波可分为声频支和光频支两类，现将分别讨论。,晶格振动传热机制,2023/11/12,10,量子理论：一个谐振子的能量是不连续的，只能是一个最小单元的整数倍，即为h。晶格振动中的能量同样是量子化的，对于声频支，可看成是一种弹性波，因此把声频波的量子称为“声子”，其能量为h。声子的引入，对讨论带来了方便，可把格波的传播看成是质点声子的运动。把格波与物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞。运用相似于气体碰撞的方法，可得热导率公式为：,2023/11/12,11,3、光子热导固体中除了声子热传导外，还有光子的热传导作用。这是因为固体中分子、原子和电子的振动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波。这类电磁波覆盖了一较宽的频谱，但是其中具有较强热效应的波长在0.440m间的可见光与部分红外线的区域。这部分辐射线也就称为热射线，热射线的传递过程也称为热辐射。由于其频率处于光频范围-光子的导热过程。在低温时，固体中电磁辐射很弱，但在高温时就很明显，因为辐射的能量与温度的四次方成正比。,2023/11/12,12,热平衡时，吸收与发射射线的能量相同，有温度梯度时，吸收大于辐射-热传导。对于r，关键取决于lr，对于单晶、玻璃对热射线较透明，8001300K左右辐射传热已明显。大多数烧结陶瓷，lr小，耐火氧化物，1800K才明显。,2023/11/12,13,三、影响热导率的因素,1、温度T低温：声频 高温：光频,2023/11/12,14,2、晶体结构复杂：晶格振动的非谐性程度大，散射强，导热率低。,2023/11/12,15,2023/11/12,16,3、化学组成轻质质点组成物质，密度小，杨氏模量达，D高的物质的大，热导率大。如：BN、BeO的热导率较高；而SiO2、Al2O3较低。,2023/11/12,17,2023/11/12,18,4、气孔低温：气孔提高热阻，广频支作用降低高温：大气孔，加大对流的作用，提高热导率。,2023/11/12,19,3-2 陶瓷材料的抗热震性能,材料的热稳定性包括：热分解、热熔化、热软化、热反应、热破坏（热震性）等。对于陶瓷材料一般是指抗热震断裂性能和抗热震损伤性能。前者是指材料能够承受的最大热冲击温差（一般为一次）；后者是指材料能够承受热循环冲击的能力（一定温差下的承受次数）；无论何者都与材料内部的热应力有关（不均匀受热所致）。自学 P280 5.5,2023/11/12,20,3-3 材料导热率的测定（P288 5.6）,热导率是重要的物理参数。在宇航、原子能、建筑材料等工业部门都要求对有关材料得热导率进行预测或实际测定，但在材料研究方法中应用较少。热导率测试可以分为稳态测试和动态测试两类。一、稳态测试常用的方法是驻留法。该方法要求在整个试验过程中，试样各点的温度保持不变，以使流过试样横截面的热量相等，然后利用测出的试样温度梯度dT/dx及热流量，计算出材料的热导率。驻留法又分为直接法和比较法。,2023/11/12,21,1、直接法2、比较法二、动态测试动态（非稳态）测试主要是测量试样温度随时间变化率，从而直接得到热扩散系数。在已知材料比热容后，可以算出热导率。这种测试方法主要有闪光法（flash method）-激光热导仪。,2023/11/12,22,2023/11/12,23,3-4 金属与合金的热电性,一、金属的三种热电效应1、塞贝克（Seeback）效应-第一热电效应 T1T2，回路中存在 热电流，这种由于温差 而产生的热电现象称为 Seeback效应。回路中热电流的产生表明回路中存在热电势，热电势的符号通常以热端电流的方向来确定，若热端电流由A流向B，则B金属对于A金属具有正的热电势，A金属则相对具有负的热电势。热电势的大小取决于A、B金属的本性及热端、冷端的温差大小。,2023/11/12,24,Seeback效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差。接触电势差的形成：A、B金属中的电子均会进入对方金属中去，但数量不等（数量取决于A、B金属的电子逸出功和有效电子密度）。若A金属的逸出功大于B金属（即A的Feimi能级EF小于B），A金属的有效电子密度小于B。则B进入A中的电子大于A进入B中的电子，这样，A负电位，B正电位。逸出功取决于EF（与T无关），因而温度升高，主要影响N有效，并导致UAB升高。,2023/11/12,25,所以，两种不同金属A和B产生的接触电势差的表达式：,2023/11/12,26,2、帕尔贴（Peltier）效应-第二热电效应当电流通过A、B两金属组成的接触点时，除了固定电流流经电路而产生焦耳热外，还会在接触点额外产生吸热或放热的效应-Peltier效应，其吸收或放出的热量称为Peltier热。,2023/11/12,27,3、汤姆逊（Thomson）效应-第三热电效应当一根金属导线两端存在温差时，若通以电流，则在该段导线中将产生吸热或放热现象-Thomson效应。电流方向与热流方向一致时产生放热，反之则产生吸热。,2023/11/12,28,二、影响金属热电势的因素,1、金属本性的影响（+）Si-Sb-Fe-Mo-Cd-W-Au-Ag-Zn-Rh-Zr-Tl-Cs-Ta-Sn-Pb-Mg-Al-石墨-Hg-Pt-Na-Pd-K-Ni-Co-Bi（-）*中间金属定律：（相同温度下，组成回路的电位差只与两端的合金有关与中间的连线无关）。2、合金化的影响3、碳含量对钢热电势的影响,2023/11/12,29,三、热电势的测量与应用,1、热电势的测量（1）电子电位差计（2）示差测量热电势2、热电势分析的应用（1）热电偶（2）合金时效（3）马氏体回火,
