1.4材料的热传导(材料物理性能)
材料物理性能(第三章-材料的热学性能)

2.光子热导(photon conductivity of heat)
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ຫໍສະໝຸດ 第三节 材料的热传导一、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:Q dT S t ,它只适用于稳定
传热的条件,即
是常数dx。
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。
根据热力学第二定律可以导出:
式中:V0=摩尔容积, (expansion coefficient), (compression coefficient)。
=体膨胀系数 =压缩系数
对于固体材料CP与CV差异很小,见图3.2。
一、晶态固体热容的经验定律(experience law) 和经典理论(classical theory) 一是元素的热容定律——杜隆一珀替定律:
第二节 材料的热膨胀
一、热膨胀系数(Thermal expansion coefficient) 物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做
热膨胀。
式中,αl=线膨胀系数,即温度升高1K时,物体的 相对伸长。
物体在温度 T 时的长度lT为:
无机材料的
,αl通常随T升高而加大。
同理,物体体积随温度的增加可表示为:
一般耐火材料线膨胀系数,常指在20~1000℃范围内
1.4-热传导

☼ 固溶体的形成降低热导率,而且取代元素的质量和大小与基质 元素相差愈大,取代后结合力改变愈大,则对热导率的影响愈大。
在杂质浓度很低时,杂 质效应十分显著。所以在接
近 纯 MgO 或 纯 NiO 处 , 杂 质 含量稍有增加,λ值迅速下 降。随着杂质含量的增加, 这个效应不断减弱。
杂 质 效 应 在 4 73 K 比 1273 K要强。若低于室温,
刚玉和莫来石1000 ℃下热导率与孔隙率 的关系
23
第23页,共24页。
五、实测无机材料的热导率
通常,低温时有较高热导率的材料, 随温度升高,热导率降低;而具有低热 导率的材料正好相反。
BeO, Al2O3和MgO:
经
A 8.51036T 10
验
T 125
公
式 玻璃体: cT d
粘土质耐火砖和保温砖:
第一章 材料的热学性能
1.4 热传导
1
第1页,共24页。
本小节内容
热传导的基本概念和定律
固体材料热传导的微观机理 金属材料热导率的一般规律
影响无机材料热导率的因素 实测无机材料的热导率
2
第2页,共24页。
当固体材料两端存在温度差时,热量会自动地从热端传向冷端的现
象,称为热传导 (Thermal conduction)。
11
第11页,共24页。
固体中辐射传热过程的定性解释:
热稳定状态T1T2 Nhomakorabea吸收
辐射
能量转移
对于辐射线是透明的介质,热阻小,lr较大,如:单晶、玻璃, 在773---1273 K辐射传热已很明显;
对于辐射线是不透明的介质,热阻大,lr很小,大多数陶瓷,一 些耐火材料在1773 K高温下辐射才明显;
材料物理性能(课件)

TIM
Ni(OH)2
19
(二)热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA): 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 , 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ,也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
(一 )热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动: 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 , 当振动很微弱时 , 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 , 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i =热能 · 质点热振动相互影响 ,相邻质点间的振动存在一定的相位差, 晶格振动以波(格波) 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度: v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ,格波最高频 率:v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波: 声频支振动; 频率极高的格波: 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ,热容 -温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
(二)热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区: 电加热法 · 高温区:撒克司法
P:搅拌器 ,C: 量热器筒 18
材料物理性能-材料的热性能

第一节、材料的热容
热分析及应用-----DSC 示差扫描量热测定时记录的热谱图称之为DSC 曲线,其纵坐标是试样与参比物的功率差dH/dt, 也称作热流率,单位为毫瓦(mW),横坐标为温 度(T)或时间(t)。一般在DSC热谱图中,吸热
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DTA
第一节、材料的热容
热电偶的原理
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DSC
第一节、材料的热容
DSC与DTA测定原理的不同
•DSC是在控制温度变化情况下,以温度(或时间) 为横坐标,以样品与参比物间温差为零所需供给 的热量为纵坐标所得的扫描曲线。
热容与相变
第一节、材料的热容
热分析及应用
热分析是跟据物质的温度变化所引起的 性能变化(如热量、质量、尺寸、结构 等)来确定状态变化的方法。
第一节、材料的热容
热分析及应用
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DTA
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DTA 差热分析(DAT)是在程序控制下,测量待测 物质和参比物质之间温度差和温度关系的一种 技术。 当试样发生任何物理或化学变化时,所释放或 吸收的热量使试样温度高于或低于参比物质的 温度,从而相应地在差热曲线上可得到放热峰 或吸热谷。
(endothermic)效应用凸起的峰值来表征 (热焓增加),
放热(exothermic)效应用反向的峰值表征(热焓减少)。
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DSC
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DSC
添加了稀土 Er 的合金在 540 ℃左右 出现新吸热 峰,可见有 稳定性高相 生成。
材料热学性能unit1-浙江大学材料物理性能笔记

1.1.晶格振动热容,热膨胀,热传导等热学性能都与晶格振动相关。
相邻原子的相位差:ak. a 为晶格常数,K 为相位差常数(波数/波矢)。
热激发时,每个原子在平衡位置附近振动,会通过邻近原子以行波的形式在晶体内传播,这种波称为格波格波: λ=2π/K ,v=w/KK ∈(-π/a, π/a )——>布里渊区——>保证Xn 单值性①波矢K 取值的有限性格波的特性 ②存在色散关系:当λ>>a ,晶格可看成连续介质,格波可看成弹性波 K 很大时,波长很短,介质不能看成连续③波矢取值的分立性周期性边界条件:边界对内部原子振动状态的影响。
声子:把量子化的格波看成的某种微粒。
晶格振动能量=∑各声子的能量一维复式格子与一维单式格子的不同点是一个波矢对应两个独立的频率,存在两种色散关系。
波矢K 的取值需要限制在[-π/2a ,π/2a]之间,这个范围就是一维双原子链的布里渊区 w1:K=+π/2a w1max=1/2m β;K=0,w1min=0.w2:K=+π/2a w2min=2/2m β;K=0,w2max=)21/()212m m m m +(β.=u /2β u 为折合质量ω2:处于光频范围(红外区),光频支或光频波ω1:以声波形式出现的驻波,声频支或声频波声学波与光学波的区别。
前者是相邻原子的振动方向相同,波长很长时,格波为晶胞中心在振动,可以看作连续介质的弹性波;后者是相邻原子的振动方向相反,波长很长时,晶胞中心不动,晶胞中的原子作相对振动(ω1)max 和(ω2)min 之间的频率区间不存在格波,故称为“禁止”频率(或能量)区。
质量比(M/m )愈大,两支波之间频率间隙Δω愈宽一维单原子晶格: N 个原子组成,晶胞数为N ,波矢K 可取N 个不同值,自由度共有N 个(每个原子的自由度是1 )有N 个晶格振动频率(1个波矢K 对应1个振动频率)一维双原子晶格: 2N 个原子组成,晶胞数为N ,波矢K 可取N 个不同值,自由度共有2N 个(每个晶胞的自由度是2 )有2N 个晶格振动频率(1个波矢K 对应2个振动频率)因此有:晶格振动波矢数= 晶体所包含的原胞数晶格振动频率数= 晶体自由度数在恒压加热过程中,物体除温度升高外,还要对外界做功,所以温度每提高1K需要吸收更多的热量,即CP > CV,固体热容与晶格振动有关。
材料物理性能

§1 材料物理性能1.1 热学性能1.1.1 热容热容是表征材料从周围环境吸收并储存热量的能力,可以用每一摩尔物质温度每升高1K时所吸收的热量来表示,单位为:J/mol/K。
定压热容Cp :Cp = dQ/dT (p=p0)定容热容Cv :Cv = dQ/dT (v=v0)1.1.2 热传导热传导是表征材料传热能力大小的,用热传导率λ表示,单位为W/m/K:q = -λdT/dx式中,q ------ 单位时间内流过垂直于热流方向的单位面积的热量,单位为W/m2;dT/dx ------ 温度梯度,单位为K/m。
热传导的本质是由于温差而发生的材料相邻部分之间的能量迁移,可以通过三种方式进行:自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导。
金属材料的热传导主要是通过自由电子在晶体中的自由迁移实现的,因此具有较高的热导率,约为20-400 W/m/K。
无机非金属材料主要是通过离子键、共价键结合,电子迁移困难,其热传导主要通过晶格振动实现,一般热导率低,约为2-50 W/m/K,是良好的绝热材料。
玻璃的原子排列远程无序,因此热导率更低。
高分子材料的传热主要是通过分子或链段的振动实现,速度慢,因此其热导率更低。
1.1.3 热膨胀系数热膨胀系数是用来表征材料热胀冷缩特性的,其定义为:温度变化1K时材料单位长度(线膨胀系数αl)或单位体积(体积膨胀系数αv)变化量,单位为1/K:αl = (dl/dT)p/lαv = (dv/dT)p/v对于各向同性材料,αv=3αl 。
热膨胀系数主要取决于原子(或分子、链段)之间的结合力,结合力越大,则热膨胀系数越小。
无机非金属材料原子间结合力大,热膨胀系数最小,约0.5-15 /106K;金属材料次之,约为5-25 /106K;高分子材料以分子间力结合,结合力小,有很大的热膨胀系数,约为50-300 /106K。
在温度作用下,材料热膨胀系数的巨大差异往往会引起很大的应力,从而导致材料界面开裂,材料失效。
热传导与材料的导热性

热传导与材料的导热性导语:热传导是热能在物质中传递的过程,材料的导热性则决定了热量如何在材料中传导。
在本文中,我们将讨论热传导的基本原理以及影响材料导热性的因素。
一、热传导的基本原理热传导是热量通过物质内部的分子碰撞而传递的过程。
它遵循热梯度的方向,即热能从高温区域传递到低温区域。
这种传递是通过固体、液体和气体中的颗粒之间的相互作用实现的。
热传导是一个复杂的过程,主要由三种方式实现:导热、传导和辐射。
导热是固体材料中的分子或原子之间的直接碰撞传递能量。
传导是液体和气体中的分子通过碰撞将热能传递给相邻的分子。
而辐射则是指通过电磁波的辐射传递热能。
二、影响材料导热性的因素材料的导热性能受多种因素的影响,下面将介绍其中几个重要的因素。
1. 材料的热导率热导率是一个衡量材料传导热量能力的物理量。
热导率越高,表明材料越容易传导热量。
导热性能好的材料通常具有较高的热导率。
2. 材料的密度密度是指材料的质量与体积之比。
通常情况下,密度越大的材料,其导热性能越好。
因为大部分情况下,密度较大的材料具有更多的原子或分子,这样可以增加热量传递的效率。
3. 材料的热容量热容量是指物质在温度变化下吸收或释放的热能量。
热容量越高,材料对热量的吸收和释放能力就越强,同时也能更好地传导热量。
4. 结构和组成材料的结构和组成也会影响其导热性能。
晶体结构的材料通常具有较好的导热性能,因为固定的结构可以提供更好的热传导通道。
此外,元素的选择和分子的排列方式也会对导热性产生影响。
三、导热材料的应用领域导热材料在现代科学技术中有着广泛的应用。
以下是一些例子:1. 热散热器导热材料常用于制造散热器,以帮助电子设备和机械设备散发多余的热量。
高导热性能的材料可以有效地从热源中吸收热量,并将其传递到更大的表面积上,以加快热量的散发。
2. 建筑领域在建筑领域,导热材料被用于隔热材料和保温材料的制造,以提高建筑物的能源效率。
通过选择低导热率的材料,可以减少能量的损失,并改善建筑物的保温性能。
常见材料导热系数(史上最全版)

导热率K是材料本身的固有性能参数,用于描述材料的导热能力,又称为热导率,单位为W/mK。
这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的,只是跟材料本身的成分有关系。
不同成分的导热率差异较大,导致由不同成分构成的物料的导热率差异较大。
单粒物料的导热性能好于堆积物料。
稳态导热:导入物体的热流量等于导出物体的热流量,物体内部各点温度不随时间而变化的导热过程。
非稳态导热:导入和导出物体的热流量不相等,物体内任意一点的温度和热含量随时间而变化的导热过程,也称为瞬态导热过程。
导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,°C),在1秒内,通过1平方米面积传递的热量,用λ表示,单位为瓦/米·度导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。
非晶体结构、密度较低的材料,导热系数较小。
材料的含水率、温度较低时,导热系数较小。
通常把导热系数较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定,凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料),而把导热系数在0.05瓦/米摄氏度以下的材料称为高效保温材料。
导热系数高的物质有优良的导热性能。
在热流密度和厚度相同时,物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差,随导热系数增大而减小。
锅炉炉管在未结水垢时,由于钢的导热系数高,钢管的内外壁温差不大。
而钢管内壁温度又与管中水温接近,因此,管壁温度(内外壁温度平均值)不会很高。
但当炉管内壁结水垢时,由于水垢的导热系数很小,水垢内外侧温差随水垢厚度增大而迅速增大,从而把管壁金属温度迅速抬高。
当水垢厚度达到相当大(一般为1~3毫米)后,会使炉管管壁温度超过允许值,造成炉管过热损坏。
对锅炉炉墙及管道的保温材料来讲,则要求导热系数越低越好。
一般常把导热系数小于0。
8x10的3次方瓦/(米时·摄氏度)的材料称为保温材料。
例如石棉、珍珠岩等填缝导热材料有:导热硅脂、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片、导热双面胶等。
材料物理性能(第三章-材料的热学性能).答案

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
式中第一项为常数,第二项为零,则
式中, 则,
;
;如果只考虑上式的前两项,
即点阵能曲线是抛物线。原子间的引力为:
式中β是微观弹性系数,为线性简谐振动,平衡位置仍在
r0处,上式只适用于热容CV的分析。
但对于热膨胀问题,如果还只考虑前两项,就会
得出所有固体物质均无热膨胀。因此必须再考虑第三
项。此时点阵能曲线为三次抛物线,即固体的热振动 是非线性振动。用波尔兹曼统计法,可算出平均位移 (average displacement)。
如图3.1,其中声频支最大频率:
第一节 材料的热容
热容是物体温度升高1K所需要增加的能量。
(J/K)
显然,质量不同热容不同,温度不同热容也不同。比
热容单位— 另外,平均热容 , 摩尔热容单位— , 。
范围愈大,精
度愈差。 恒压热容
恒容热容
式中:Q=热量,E=内能,H=热焓。由于恒压加 热物体除温度升高外,还要对外界做功,所以 根据热力学第二定律可以导出:
后晶格振动加剧而引起的容积膨胀,而晶格振动的激化就 是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也就是 热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容密切相关并有着 相似的规律。见图3.8。
第三节 材料的热传导
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。
材料物理性能:1.4 热传导 heat conduction

部吸收的称为绝对黑体,能全部透过的则称为绝对透
明体。吸收系数接近于1的物体---作黑体。
即在一封闭空腔壁上开一小孔,任何波长的光穿过小孔 进入空腔后,在空腔内壁反复反射,重新从小孔穿出的 机会极小,即使有机会从小孔穿出,由于经历了多次反 射而损失了大部分能量。
在空腔外观察,小孔对任何波长电磁辐射的吸收比都接 近于1,故可看作是黑体。
1.4 热传导 heat conduction
热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部 分的方式叫做热传导, 固体材料的热传导的宏观规律
热 传 导-由于材料相邻部分发生能量迁移
固体材料中内能的不均一性
傅立叶导热定律
dT/dx(温度梯度)
作 用 于
T1
T2பைடு நூலகம்
产
x
生
热传导机理
固体中的质点被牢固联系在一起,质点有一定距离, 不能象气体分子那样杂乱运动,也不像气体分子依靠 质点直接碰幢传递热能。
表征材料热稳定性的因子(第一热应力断裂抵抗因子或 第一热应力因子)
2. 第二热应力断裂抵抗因子R´
考虑承受的最大温差 与最大热应力、材料中的应 力分布、产生的速率和持续时间,材料的特性(塑性、 均匀性、弛豫性),散热有关。
材料的散热与下列因素有关
• 材料的热导率 :热导率越大,传热越快,热应力 持续一定时间后很快缓解,对热稳定性有利。
光学支格波与声学支格波本质上有何差别? 晶体中声子数目是否守恒?和什么因素直接相关? 如何关系?
在甚低温下, 德拜模型为什么与实验相符? . 爱因斯坦模型在低温下与实验存在偏差的根源 是什么? 温度对固体材料的热容的影响如何?
作业
1.4.1 利用晶格振动理论说明:金属半导体和绝 缘体之中,实现热导机理?
材料物理性能重点

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《材料物理性能》思考题第一章热学性能1.1概述1、材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导和热稳定性等。
2、什么是格波?答:由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用,原子的微振动不是孤立的,原子的运动状态(或晶格振动)会在晶体中以波的形式传播,形成“格波”。
3、若三维晶体由n个晶胞组成,每个晶胞中含有s个原子,则晶体中格波数为3ns个,格波支数为3s个。
4、受热晶体的温度升高,实质是晶体中热激发出的声子数目的增加。
5、举例说明某一材料热学性能的具体应用。
1.2热容1、什么是比热容和摩尔热容(区分:定压摩尔热容和定容摩尔热容)?答:比热容(c):质量为1kg的物质在没有相变和化学反应条件下温度升高1K所需要的热量答:摩尔热容(cm):1mol物质在没有相变和化学反应条件下温度升高1K所需要的热量3、固体热容的经验定律和经典理论只适用于高温,对低温不适用!4、由德拜模型可知,温度很低时,固体的定容摩尔热容与温度的三次方成正比(德拜T3定律)。
5、金属热容由晶格振动和自由电子两部分贡献组成6、自由电子对热容的贡献在极高温和极低温度下不可忽视,在常温时与晶格振动热容相比微不足道!7、一级相变对热容的影响特征是什么?答:在相变温度下,热焓发生突变,热容不连续变化。
8、影响无机材料热容的因素有哪些?答:温度,键强,弹性模量,熔点9、对于隔热材料,需使用低热容(如轻质多孔)隔热砖,便于炉体迅速升温,同时降低热量损耗。
10、什么是热分析法?DTA、DsA和Tg分别是哪三种热分析方法的简称?举例说明热分析1法的应用。
答:热分析法:在程序控制温度下,测量物质的物理性质与温度关系的一种技术。
材料物理性能课件-1.4材料的导热性

声子之间的相互“碰撞”
简谐近似:格波独立传播,即声子间没有相互作用, 不存在声子间的相互“碰撞”。那么格波也不可能达 到统计平衡。
非谐作用:不同格波势能间存在交叉项,即各格波间 有相互作用,声子可发生“碰撞”,保证不同格波间 可以交换能量,达到统计平衡。这种声子间的碰撞起 着限制声子平均自由程的作用。
continue
声子的扩散运动
E()
1 2
e / kT
1
1 2
n
平均声子数
n
1 e / kT
1
晶格中各处平均声子数不同,导致声子扩散
continue
声子平均自由程
1 cl
3
l 的大小由两种过程决定:
•声子之间的相互“碰撞” •固体中缺陷对声子的散射
continue
l 密切依赖于温度
高温情况
*一般纯金属的热导率都比合金的高。
continue
6、复相材料的热导率
当分散相均匀地分散在连续相中时,热导率为
1
c
2Vd
1
cdΒιβλιοθήκη /12c d
1 Vd
1
c
d
/1
2c
d
c和d分别为连续相和分散相的热导率,Vd为分散相的 体积分数。
若把陶瓷的晶粒当作分散相,晶界(玻璃相)当作连续相,
则可由上式计算陶瓷材料的热导率。
continue
杂质散射
中间一段温度范 围内看到了杂质 散射的所用
continue
合金的热导
合金的热导总 是低于任何一 种单纯晶体材 料的热导
continue
影响材料导热性能的因素
1、金属热导率与电导率之间的关系
材料物理性能名词解释

电导率:当施加的电场产生电流时电流密度正比于电场强度,其比例常数即电导率。
超导:在一定的低温条件下,金属突然失去电阻的现象。
电介质:在电场作用下能被极化的物质,通常是指电阻率大于1010Ω·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的材料。
正压电效应:晶体受机械力作用时,一定方向的表面产生束缚电荷(正负电荷中心不重合),其电荷密度大小与所加应力成线性关系。
逆压电效应:晶体在外电场激励下,某些方向产生形变的现象,形变与电场强度成线性关系。
电致伸缩:电介质在外电场的作用下,发生尺寸变化即产生应变现象,起应变大小与所加电压的平方成正比。
相对电导率:把国际标准退火铜在20℃时的电导率(电阻率为0.017241Ωmm2/m,电导率为58.0M S/m)作为100%,其他材料与此导电率的比值(百分数).热焓:等压过程中,质量为m的物体从0K升高到T时所需的热量。
平均热容:单位质量的物质在没有相变、没有化学反应的情况下每升高一度所需热量。
真实热容:物体吸收或放出的热量在数值上等于物体的焓变。
定压热容:等压条件下单位质量的物质在没有相变、没有化学反应的情况下每升高一度所需热量.定容热容:等容条件下单位质量的物质在没有相变、没有化学反应的情况下每升高一度所需热量。
摩尔热容:1mol物质在没有相变、没有化学反应的情况下每升高一度所需热量。
热传导:由于材料相邻两部分间的温差而发生的能量迁移与传递。
热电性:在金属导体组成的回路中,存在温差或通以电流时,会产生热与电的转换效应。
K状态:回火过程中发现含过渡族合金的电阻有反常升高(其他物理性能,如热膨胀效应、比热容、弹性、内耗等也有明显变化)。
冷加工时发现合金的电阻率明显降低。
托马斯(Thomas)最早发现这一现象,并把这一组织状态称为K状态。
不均匀固溶体:由x射线分析可见,固溶体中原子间距的大小显著地波动,其波动正是组元原子在晶体中不均匀分布的结果,所以也把K状态称之为“不均匀固溶体"。
材料物理性能 热传导

(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 Leabharlann 小得多,因此 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
n——折射率,
——光速。 3 1010 cm / s
由于辐射传热中,容积热容相当于提高辐射温
度所需能量
E 16n 3T 3 CR ( ) T
1 1 16n 3T 3 16 同时 r 则: C l l r n 2T 3lr r R r r n 3 3 n r 3
1.温度(temperature)
a. 在温度不太高的范围内,主要是声子传导 1 C l
b. 热容C在低温下与T3成正比,所以λ也近似与T3成正
3
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
式中,lr=辐射线光子的平均自由程, r =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(qualitative analysis)热导率的主要因素:
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
材料物理性能简介

<<材料物理性能>>基本要求一,基本概念:1.摩尔热容: 使1摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下,温度升高1K所需要的热量称为摩尔热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
2.比热容:质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下,温度升高1K所需要的热量称为比热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
3.比容:单位质量(即1kg物质)的体积,即密度的倒数(m3/kg)。
4.格波:由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用,因此晶格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动。
因相邻质点间的振动存在着一定的位相差,故晶格振动会在晶体中以弹性波的形式传播,而形成“格波”。
5.声子(Phonon): 声子是晶体中晶格集体激发的准粒子,就是晶格振动中的简谐振子的能量量子。
6.德拜特征温度: 德拜模型认为:晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动,声频支的频率具有0~ωmax分布,其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=ћωmax/k。
7.示差热分析法(Differential Thermal Analysis, DTA ): 是在测定热分析曲线(即加热温度T与加热时间t的关系曲线)的同时,利用示差热电偶测定加热(或冷却)过程中待测试样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ΔT~T(t),从而对材料组织结构进行分析的一种技术。
8.示差扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC): 用示差方法测量加热或冷却过程中,将试样和标准样的温度差保持为零时,所需要补充的热量与温度或时间的关系。
9.热稳定性(抗热振性):材料承受温度的急剧变化(热冲击)而不致破坏的能力。
10.塞贝克效应:当两种不同的导体组成一个闭合回路时,若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生,这种现象称为塞贝克效应。
11.玻尔帖效应:当有电流通过两个不同导体组成的回路时,除产生不可逆的焦耳热外,还要在两接头处出现吸热或放出热量Q的现象。
第四讲 材料的热传导

H
51
金属
合金中加入杂质元素将使导热系数降低
杂质与基体的差异越大,对热导率的影响越大
基体导热系数越高,合金元素对热导率的影响 越大
晶粒越细小,导热系数越低。
H
52
无机非金属材料
➢形成固溶体时,由于晶格畸变,缺陷增多,使声子 的散射几率增加,平均自由程减小,热导率减小。
➢溶质元素的质量、大小与溶剂元素相差越大,以及 固溶后结合力改变愈大,则对热导率的影响愈大。
H
9
热辐射的特点
➢可以不需要冷热物体的直接接触。即不需要介质的存在, 在真空中就可以传递能量。
➢在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能
➢无论温度高低,物体都在不停地相互发射电磁波能、相互 辐射能量;高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体 辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温。
H
5
1. 基本概念和定律
温度梯度、热导率(导热系数)、热扩 散率(导温系数)、热阻;
稳定传热过程、不稳定传热过程; 傅里叶定律
H
6
什么是热传导?
固体材料在温度梯度的作用下,热量从热端自动 传向冷端。
材料的热传导 稳定传热过程
非稳定传热过程
H
7
热量传递的几种途径:热传导、热辐射、热对流。
ET
4n2T 4
c
则热容为
CV
E16n2T3
T c
于是,辐射导热系数 r 136n2T3lr
光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。
H
29
光子导热的定性解释
任何黑体都会辐射出能量,也会接受能量。温度 高的单元体中,放出的能量多,而吸收的能量少; 而温度低的单元体中,放出的能量少,而吸收的能 量多。
1.4材料的热传导(材料物理性能)

声子间碰撞引起的散射的晶格是热阻的主要来源。
声子的碰撞过程
ħ q1 + ħ q2 =ħ q 3+ħKn q1 或 ħ q1 + ħ q2- ħKn =ħ q 3 (a) Kn =0 形成新声子的动量方向和原 来两个声子的方向相一致, 此时无多大的热阻。 ------正规过程
q2
q3
(b) q1 ,q2相当大时, q2
•多晶体与单晶体同一种物质,多晶体的热导率总比单晶小。 •多晶材料中各种缺陷多,声子易受到散射,平均自由程小, 热导率小。 •低温时,多晶的热导率与单晶的平均热导率一致,温度升高, 差异变大。因为晶界、缺陷、杂质等在高温时降低声子热传 导,而多晶的光子传导较单晶弱,所以,以光子导热的高温 时,差异变大。
热传导系数(卡/秒厘米0C 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
0 20 40 60 80 100 NiO MgO 体积分数
化学组成复杂的固体 具有小的热传导系数
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,导致声子平均自由程较小,热导率较低。 非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性。晶向不同,热 传导系数也不一样,如:石墨、 BN 为层状结构,层内比层 间的大4倍,在空间技术中用于屏蔽材料。 温度升高时,不 同方向的热导率差异减小。这是因为温度升高,晶体的结构 总是趋于更好的对称。
随温度上升,导热系数增大。 在温度超过一定程度以后,热导率随温度的上升而缓慢下降。 在实用的温度范围内 ,随温度的上升,热导率下降。 由于气孔导热占一定份量,随着温度的上升,热导率略有增大。
exp(D/2T) T3 热辐射
40K 1600K 氧化铝单晶的热导率随温度的变化
1
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稳定传热公式: 假如固体材料垂直于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时间内沿x轴正方向传过 △S截面上的热量为△Q,对于各向同性的物质,传热公式为:
dT Q St dx
傅里叶定律,只适用于 稳定传热的条件
式中的常数λ称为热导率(或导热系数), dT/dx称作x方向 上的温度梯度:每单位长度的温度变化。
热传导系数(卡/秒厘米0C 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
0 20 40 60 80 100 NiO MgO 体积分数
化学组成复杂的固体 具有小的热传导系数
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,导致声子平均自由程较小,热导率较低。 非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性。晶向不同,热 传导系数也不一样,如:石墨、 BN 为层状结构,层内比层 间的大4倍,在空间技术中用于屏蔽材料。 温度升高时,不 同方向的热导率差异减小。这是因为温度升高,晶体的结构 总是趋于更好的对称。
固体中的辐射传热的热导率计算过程 辐射能量 辐射能量与温度的四次方成正比。
Er 4n 3T 4 / v
σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数(为5. 67×10-8W/(m2.K4),n是折射率, υ是光速(3 ×1010cm/s)。
5)容积热容
cR
E 16 n 3T 3 ( ) T v
6) 传导率
8)光子的平均自由程lr •介质的影响: 对于辐射线是透明的介质,热阻很小, lr较大,如:单晶、 玻璃,在773---1273K辐射传热已很明显; 对于辐射线不透明的介质, lr很小;大多数陶瓷,一些耐火 材料在1773K高温下辐射明显; 对于完全不透明的介质,lr =0,在这种介质中,辐射传热可 以忽略。
则影响热导率的因素即为公式中的参数:
v: v是声子平均速度,是常数,只有在温度较高时,由于介质的
结构松驰而蠕变,使介质的弹性模量迅速下降,v减小。 温度便趋于一恒定值。
c: c是声子的体积热容,热容c在低温下与T3成比例,在超过德拜 l:声子平均自由程l随着温度升高而降低。
物质种类不同,导热系数随温度变化的规律也有很大不同。
热传导在实际工作中有哪些应用?
主要用于衡量材料的绝热性能和导热性能,在热能工程、制冷技术、工 业炉设计、工件加热和冷却、房屋采暖与空调、燃气轮机叶片等一系列 技术领域中,有着重要的应用意义。
一、固体材料热传导的宏观规律 1.热传导:当固体材料一端的温度比另一端高时,热量自动地 从热端传向冷端的现象称为热传导。 2.稳定传热状态传热公式 稳定传热: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,△Q/△t是常数。
单位时间内,通过单位面积的热能.
λ------晶体的热导系数J/s.cm℃
固体材料的热传导主要是由晶格振动的格波(声子)来 实现的。高温时还可能有光子传热。金属材料中主要是电 子热传导。 金属中:金属中有大量的自由电子,电子的质量很轻,能 迅速地实现热量的传递。因此,金属一般都具有较大的热导 率。虽然晶格振动对金属导热也有贡献,只是很次要的。
Kn 0, q1 + q2
Kn 碰撞后,发生方向反转,从而 破坏了热流方向产生较大的热 阻。 翻转过程(声子碰撞)
q1
q3
声子碰撞的几率:
exp(-D/2T) 即温度越高,声子间的碰撞频率越高,则声 子的平均自由程越短。
点缺陷的散射
晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起格波的散 射,也等效于声子平均自由程的减小,从而降低热导率。 散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关。 不同频率的格波,波长不同 :
在温度不太高时,固体中电磁辐射能很微弱,在高温时 很明显。 固体中的辐射传热过程的定性解释:
辐射源 热稳定状态
T1
T2
吸收
辐射
能量转移
辐射传热过程 传热体:体积元既能辐射出一定频率的射线,也能吸收类 似的射线。 热稳定状态:介质中任一体积元平均辐射的能量与平均吸 收的能量相等。 热传导过程:当介质中存在温度梯度时,相邻体积间温度 高的体积元辐射的能量大,吸收的能量小;温度较低的体积 元正好相反,吸收的能量大于辐射的,因此,产生能量的转 移,整个介质中热量从高温处向低温处传递。
1 cv l 3
16 r n 2 T 3 l r 3
1 3
c (v )vl (v ) dv
lr: 辐射线光子的 平均自由程。
容积热容相当于提高辐射温度所需的能量,所以
cR E 16 n 3T 3 ( ) T v
r
16 n 2 T 3 l r 3
lr: 是辐射线光子的平均自由程。
q T
晶界散射 声子的平均自由程随温度降低而增长,增大到 晶粒 大小时为止,即为一常数。 晶界散射和晶粒的直径d成反比,平均自由程与d成正比。 位错的散射 在位错附近有应力场存在,引起声子的散射,其散射与T2 成正比。平均自由程与T2成反比。
导热系数与温度的关系
Cv 低温 lT3 声子 碰撞l l exp(D/2T) T3 exp(D/2T) exp(D/2T) exp(D/2T) 点缺陷l lT -4 T -1 常数(晶格常数) 常数 晶界l ld d T3 位错l l1/ T2 T 1/ T2
晶格偏离谐振程度 越大,热阻越大。
物质组分原子量之 差越小,质点的原子量 越小,密度越小 德 拜温度越大,结合能大
热传导系数越大
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。 固溶体的形成同样也降低热导率,而且取代元素的质量和 大小与基质元素相差愈大,取代后结合力改变愈大,则对热导 率的影响愈大.
温度梯度是个矢量,其方向沿热流指向温度升高的方向,
负号表示沿热流是指向温度降低的方向。即:
dT/dx<0时,△Q>0,热量沿x轴正方向传递;
dT/dx>0时,△Q<0,热量沿x轴负方向传递。
导热系数λ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,所以它的单位为W/(m2〃K)或J/(m2〃s〃K)。
式中:ρ为密度,cP为恒压热容。
dT/dx(温度梯度)
作 用 于
光子,电子,声子 产 生
Q= -λdT/dx(能流密度)J/s.cm2
T大具有: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数
声子的热传导 晶体 T1小 具有: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数 平衡时: 同样多的振动模式振 同样多的振动振幅 同样多的声子被激发 同样多的声子数
晶格振动中的能量是量子化的。声频波的能量量子称为声 子。它所具有能量仍然应该是hυ ,经常用ћω 来表示,ω=2πυ是 格波的角频率。
从晶格格波的声子理论可知,热传导过程--声子从高浓度 区域到低浓度区域的扩散过程。
用气体中热传导的概念来处理声子热传导的问题。
根据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 的热导率也就应该具有相似的数学表达式。气体的热传导 公式为 1 cv l 3
不稳定传热过程:即物体内各处的温度随时间而变化。
不稳定传热的温度公式: 例如一个与外界无热交换,本身存在温度梯度的物体, 随着时间的推移温度梯度趋于零的过程,就存在热端温度不 断降低和冷端温度不断升高,最终达到一致的平衡温度。该 物体内单位面积上温度随时间的变化率为
T 2T t c p x 2
声子间碰撞引起的散射的晶格是热阻的主要来源。
声子的碰撞过程
ħ q1 + ħ q2 =ħ q 3+ħKn q1 或 ħ q1 + ħ q2- ħKn =ħ q 3 (a) Kn =0 形成新声子的动量方向和原 来两个声子的方向相一致, 此时无多大的热阻。 ------正规过程
q2
q3
(b) q1 ,q2相当大时, q2
非金属晶体中:在非金属晶体以晶格振动为主要的导热机 构,晶格振动的格波又分为声频支河光频支。
由于质点间存在相互作用力,振动较弱的质点在振动较强质点 的影响下,振动加剧,热运动能量增加。
热量就能转移和传递,使整个晶体中热量从温度较高处传向 温度较低处,产生热传导现象。
从微观导热过程中,可以看到热量是由晶格振动的格波 来传递的。格波可分为声频支和光频支两类,下面我们就这 两类格波的影响分别进行讨论。
Al2O3
0.01
SiC
BeO MgO ZrO2
粘土耐火砖 SiO2玻璃 28000F隔热砖 20000F隔热砖 粉末MgO
0.001
0.0001
0
400
800
1200
1600
2000
温度(0C)
2.化学组成的影响
1)原子量与λ的关系
质点的原子量愈小,密度愈小,德拜温度愈高,则热 导率愈大。 线性简谐振动时,几乎无热阻,热阻是由非线性振动 引起。
C在高温时,接近常数,在低温时它随T 3变化;声速v 为一常数。
主要讨论影响声子的自由程 l 的因素。
声子间碰撞过程
声子间碰撞使声子的平均自由程减小:在很多晶体中晶 格热振动并是非线性的,晶格质点间存在耦合作用,声子间 会产生碰撞,使声子的平均自由程减小。 格波间相互作用愈强,也就是声子间碰撞几率愈大,相应 的平均自由程愈小,热导率也就愈低。
将上述结果移植到晶体材料中,可导出声子碰撞传热的 同样公式。
1 3
c (v )vl (v ) dv
C:单位体积气体分子的比热------单位体积中声子的比热;
v :气体分子的运动速度------声子的运动速度;
l:气体分子的平均自由程-----声子的平均自由程。
平均自由程:声子两次碰撞走过的路程称为声子自由程l。