热物性测试2011-讲义资料
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• 比热容是研究晶格振动、电子分布、磁性材料能级以及分 子中有序-无序Hale Waihona Puke Baidu有力工具。
• 比热容和热膨胀出现的异常，为研究包括超导相变、磁导 相变、铁电相变和部分有序-无序相变在内的二级相变提供 了重要的判据。
热物性异常研究意义
• 铁电体导热系数在居里点出现不连续突变（发生铁电 相变），故导温系数与导热系数可作为研究铁电性能 材料铁电相变和确定相变温度（居里点）的一种新方 法。
现代热物性测试方法
主要内容
1. 热物性测试方法概述 2. 物质的比热容与规律性 3. 比热的测试方法和装置 4. 物质的热导率及其规律性 5. 热导率测试方法和装置 6. 热扩散率的测试方法和装置 7 热膨胀系数测定方法
参考文献
• 胡芃 ，陈泽韶. 量热技术和热物性测定【第二版】[M]. 合肥：中国科 学技术大学出版社. 2009.
• 热物性的影响因素： 化学成分，物质形态, 结构，晶格振动，分子热运动，
杂质分布，气孔率，气孔大小及分布
• 热物性学研究内容： 宏观热物性与微观结构的联系； 不同工作状态下的变化规律； 热物性测定方法（包括测试方法的物理模型、测试原理、 试验装置、数据处理、误差分析）
（4） 热物性测试的重要性
• 普遍性 能源动力工程、机械工业、化工工业、电力输运、电子 技术、石油热采与输运、服装、农林、食品、建筑、航 空航天、生命科学与工程、人体科学
冶金工业出版社. • 曹玉璋，邱绪光.实验传热学[M].北京：国防工业出版社.1998. • 刘静.微米/纳米尺度传热学[M].北京：科学出版社.2001. • 材料热物性测试实验指导书 . 杭州精科仪器有限公司。 • [美] Y.S. 杜洛金著. 奚同庚 王梅华等译: 固体热物理性质导论—理论和
测量[M].中国计量出版社.1987 . • K.D. Magic et al. Compendium of Thermophysical Property Measurement
（5） 热物性测试的特点 • 属于传热逆问题 • 影响热物性的因素很多，很复杂 • 不能进行精确计算，主要依靠实验测定
（6）微纳米材料热物性参数
对于块状材料，其热物性与几何参数无关，是材料的本质属性。但在 微纳米尺度范围，随着尺度和维度的减少，表面（界面）、缺陷和杂质 等因素对材料特性的影响已不能忽略，微纳米材料的热物性如比热、热 导率、热扩散系数、熔点、热膨胀系数等往往与宏观体系存在显著差异。 比热容：量子尺寸效应将导致内部声子色散关系由连续变为离散，使德 拜关于固体比热容在低温时遵守的T3规律不再适用；近邻原子数目通常 小于内部原子的配位数，使得表面原子的振动存在软化现象，即振动频 率衰减。块状材料表面原子所占百分数可忽略不计，振动软化现象不明 显。但对于纳米尺度的晶体，表面原子所占的百分比较大，甚至占据了 主要地位，因此必须考虑表面原子振动软化因素的影响。 热导率：傅里叶定律不适合分析高温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和 厚度区域内的热传导问题，在微尺度区域内，晶格振动或声子的热传导 表现为辐射传热形式。oltzmann输运理论被公认为是最具普适性和最有 效的工具（几乎所有宏观输运方程如傅里叶定律、Ohm定律、Fick定律 均可由该方程导出） 表面原子具有的相对较高的表面能使纳米材料处于亚稳状态，热稳定性 降低，表现为德拜温度降低，熔点降低，超导温度升高，晶格振动比热 增加。
密度、比热、热导率、热扩散率、熔解热、热膨胀 系数、粘度、表面发射率与吸收率、熔点、沸点
热物性举例
• 热导率（导热系数，thermal conductivity): , W/(m.K), （经验感知）其值小，隔热，节能，如炉壁
• 导温系数 （热扩散率，thermal diffusivity): a ,m2/s，其 值大，均温快，温差小
Methods. New York：plenum Press , 1984 • J .E.Parrott, A.D.Stuckes. Thermal Conductivity of solids. London,1975 .
有关热物理性能测试的科研项目
• 熔盐相变蓄热材料热物性测试新方法研究.国家自然科学基 金项目
（2） 为什么要研究热物性参数？
目标：揭示物质的载热能力和热输运能力。
意义： 评价、衡量材料能否适用于具体热过程的技术依据； 对热过程进行研究、计算和工程设计的关键参数； 揭示与研究材料的相变、缺陷、微裂纹和晶化等微观
结构变化的重要手段。
（3）什么是热物性学？
热物性学是研究物质的热物理性质的理论。
• 基础性 一切热设计和研究具体热过程的基础；工程热物理专业 基础课程
• 开拓性 • 经济性
节约能源、提高设备热效率、发掘新材料、认识新领域
应用举例
• 元器件的热噪声、响应时间、及各封装器件的膨胀匹配均 与热物性相关；
• 大功率激光器的晶体工作物质导热与导温性能决定其散热 速率；
• 晶体的导热、导温性能是晶格振动的直接反映，通过对其 研究，可获得声子运动、声子间碰撞、散射和声子与晶体 缺陷相互作用的大量信息。
• 黄 素 逸 ， 周 怀 春 . 现 代 热 物 理 测 试 技 术 [M]. 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社.2008.
• 张靖周.高等传热学[M].北京：科学出版社.2009. • 奚同庚. 无机材料热物性学[M] . 上海科学技术出版社.1981. • 蔡明忠. 金属低温热学和电学性质[M]. 北京: 冶金工业出版社.1990. • 中国金属学会，中国有色金属学会.金属物理性能及测试方法[M].北京：
• 有色金属及合金熔点温度下导热系数测定方法和装置.中国 有色金属工业总公司
1. 序言
（1）什么是热物理性能（热物性） ？
材料的热物理性能 (thermophysical property) 是指材 料在热学过程中所表现出来的反映各种热力学特性 的参数的总称，它系统地反映了材料的载热能力和 热输运能力。
• 高密度电子封装传热过程的计算机仿真与优化及无铅焊料 和导电胶的热物性测定.中瑞政府间科技合作项目
• 高密度电子封装传热的全息仿真及无污染焊料的热物性测 试.高等学校博士学科点专项科研基金
• 金属相变过程固、液相熔点热物性动态测定方法.国家自然 科学基金项目
• 利用相界面移动速率测定热物性的研究. 国家教委回国人员 基金项目
• 比热（specific heat): c，值大，蓄热多，如热风炉；值 小，升温快，如轻质炉衬
• 热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE)： , 值大，热应力大: 双金属测温，热失配现象；
• 表面发射率（emissivity)： 值大，辐射传热多，炉内 壁加涂料,外壁涂银粉隔热，无惰性炉
• 比热容和热膨胀出现的异常，为研究包括超导相变、磁导 相变、铁电相变和部分有序-无序相变在内的二级相变提供 了重要的判据。
热物性异常研究意义
• 铁电体导热系数在居里点出现不连续突变（发生铁电 相变），故导温系数与导热系数可作为研究铁电性能 材料铁电相变和确定相变温度（居里点）的一种新方 法。
现代热物性测试方法
主要内容
1. 热物性测试方法概述 2. 物质的比热容与规律性 3. 比热的测试方法和装置 4. 物质的热导率及其规律性 5. 热导率测试方法和装置 6. 热扩散率的测试方法和装置 7 热膨胀系数测定方法
参考文献
• 胡芃 ，陈泽韶. 量热技术和热物性测定【第二版】[M]. 合肥：中国科 学技术大学出版社. 2009.
• 热物性的影响因素： 化学成分，物质形态, 结构，晶格振动，分子热运动，
杂质分布，气孔率，气孔大小及分布
• 热物性学研究内容： 宏观热物性与微观结构的联系； 不同工作状态下的变化规律； 热物性测定方法（包括测试方法的物理模型、测试原理、 试验装置、数据处理、误差分析）
（4） 热物性测试的重要性
• 普遍性 能源动力工程、机械工业、化工工业、电力输运、电子 技术、石油热采与输运、服装、农林、食品、建筑、航 空航天、生命科学与工程、人体科学
冶金工业出版社. • 曹玉璋，邱绪光.实验传热学[M].北京：国防工业出版社.1998. • 刘静.微米/纳米尺度传热学[M].北京：科学出版社.2001. • 材料热物性测试实验指导书 . 杭州精科仪器有限公司。 • [美] Y.S. 杜洛金著. 奚同庚 王梅华等译: 固体热物理性质导论—理论和
测量[M].中国计量出版社.1987 . • K.D. Magic et al. Compendium of Thermophysical Property Measurement
（5） 热物性测试的特点 • 属于传热逆问题 • 影响热物性的因素很多，很复杂 • 不能进行精确计算，主要依靠实验测定
（6）微纳米材料热物性参数
对于块状材料，其热物性与几何参数无关，是材料的本质属性。但在 微纳米尺度范围，随着尺度和维度的减少，表面（界面）、缺陷和杂质 等因素对材料特性的影响已不能忽略，微纳米材料的热物性如比热、热 导率、热扩散系数、熔点、热膨胀系数等往往与宏观体系存在显著差异。 比热容：量子尺寸效应将导致内部声子色散关系由连续变为离散，使德 拜关于固体比热容在低温时遵守的T3规律不再适用；近邻原子数目通常 小于内部原子的配位数，使得表面原子的振动存在软化现象，即振动频 率衰减。块状材料表面原子所占百分数可忽略不计，振动软化现象不明 显。但对于纳米尺度的晶体，表面原子所占的百分比较大，甚至占据了 主要地位，因此必须考虑表面原子振动软化因素的影响。 热导率：傅里叶定律不适合分析高温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和 厚度区域内的热传导问题，在微尺度区域内，晶格振动或声子的热传导 表现为辐射传热形式。oltzmann输运理论被公认为是最具普适性和最有 效的工具（几乎所有宏观输运方程如傅里叶定律、Ohm定律、Fick定律 均可由该方程导出） 表面原子具有的相对较高的表面能使纳米材料处于亚稳状态，热稳定性 降低，表现为德拜温度降低，熔点降低，超导温度升高，晶格振动比热 增加。
密度、比热、热导率、热扩散率、熔解热、热膨胀 系数、粘度、表面发射率与吸收率、熔点、沸点
热物性举例
• 热导率（导热系数，thermal conductivity): , W/(m.K), （经验感知）其值小，隔热，节能，如炉壁
• 导温系数 （热扩散率，thermal diffusivity): a ,m2/s，其 值大，均温快，温差小
Methods. New York：plenum Press , 1984 • J .E.Parrott, A.D.Stuckes. Thermal Conductivity of solids. London,1975 .
有关热物理性能测试的科研项目
• 熔盐相变蓄热材料热物性测试新方法研究.国家自然科学基 金项目
（2） 为什么要研究热物性参数？
目标：揭示物质的载热能力和热输运能力。
意义： 评价、衡量材料能否适用于具体热过程的技术依据； 对热过程进行研究、计算和工程设计的关键参数； 揭示与研究材料的相变、缺陷、微裂纹和晶化等微观
结构变化的重要手段。
（3）什么是热物性学？
热物性学是研究物质的热物理性质的理论。
• 基础性 一切热设计和研究具体热过程的基础；工程热物理专业 基础课程
• 开拓性 • 经济性
节约能源、提高设备热效率、发掘新材料、认识新领域
应用举例
• 元器件的热噪声、响应时间、及各封装器件的膨胀匹配均 与热物性相关；
• 大功率激光器的晶体工作物质导热与导温性能决定其散热 速率；
• 晶体的导热、导温性能是晶格振动的直接反映，通过对其 研究，可获得声子运动、声子间碰撞、散射和声子与晶体 缺陷相互作用的大量信息。
• 黄 素 逸 ， 周 怀 春 . 现 代 热 物 理 测 试 技 术 [M]. 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社.2008.
• 张靖周.高等传热学[M].北京：科学出版社.2009. • 奚同庚. 无机材料热物性学[M] . 上海科学技术出版社.1981. • 蔡明忠. 金属低温热学和电学性质[M]. 北京: 冶金工业出版社.1990. • 中国金属学会，中国有色金属学会.金属物理性能及测试方法[M].北京：
• 有色金属及合金熔点温度下导热系数测定方法和装置.中国 有色金属工业总公司
1. 序言
（1）什么是热物理性能（热物性） ？
材料的热物理性能 (thermophysical property) 是指材 料在热学过程中所表现出来的反映各种热力学特性 的参数的总称，它系统地反映了材料的载热能力和 热输运能力。
• 高密度电子封装传热过程的计算机仿真与优化及无铅焊料 和导电胶的热物性测定.中瑞政府间科技合作项目
• 高密度电子封装传热的全息仿真及无污染焊料的热物性测 试.高等学校博士学科点专项科研基金
• 金属相变过程固、液相熔点热物性动态测定方法.国家自然 科学基金项目
• 利用相界面移动速率测定热物性的研究. 国家教委回国人员 基金项目
• 比热（specific heat): c，值大，蓄热多，如热风炉；值 小，升温快，如轻质炉衬
• 热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE)： , 值大，热应力大: 双金属测温，热失配现象；
• 表面发射率（emissivity)： 值大，辐射传热多，炉内 壁加涂料,外壁涂银粉隔热，无惰性炉