金属热传导教学讲义PPT

A (T14 T24 )
A(T1 T2 )
(T14 T24 )
(T1 T2 )
其中，ε 为辐射面 1 外壁的发射率，σ 为玻尔兹曼常数
（5.669×10-8），T1 和 T2 分别辐射面 1 和辐射面 2 的 表面温度，A 为辐射面 1 的表面积。
导热合金设计原理
由于导热方程与欧姆定律极其相似，人们
(a) 铸态及高温热处理态 Mg-Mn 合金的热扩散系数，(b) Mg-Mn 合金 的比热容及密度，(c) 铸态及高温热处理态 Mg-Mn 合金的的导热及导电 系数，(d)退火态、铸态及高温热处理态Mg-0.5Mn 合金的导热及导电系
的散热表面积(m2)，T1 和 T2分别为散热固体 表面的平均绝对温度和流体的平均绝对温度， 可以看出，牛顿方程将对流传热的各种复杂的 影响因素全都归结于对流换热系数 hc 中。流 体的自然对流是由于流体内部受热不均，各部 分的流体密度自然不同，流体受热后密度降低 向上游动，而冷流体的密度大会向下沉底，从 而形成了一个对流循环系统。
金属热传导
镁合金研究概况
进入二十一世纪以来，人类的 可持续发展面临着资源匮乏等 严重问题，并且随着大规模生 产的进行和发展，传统金属材 料(如钢铁，铝合金等)的消耗
镁合金产品在电子及汽车领域的用量正在以 20%的速度增长。然而同铝合金相比， 镁合 金的研究和应用远远不够充分，存在的问题主 要有：镁合金很活泼，熔炼及铸造加工的难度 大成本高；镁合金的变形能力差，成型技术有 待发展；镁合金的耐腐蚀性能差，在许多场合 应用时都不能满足要求；镁合金的强度和塑性 有待进一步提高；镁合金的合金体系相对较少。
传热基本原理
传热是一个复杂的物理现象，根据传热原 理不同可以分为热传导，热对流及热辐射。 热量在物质内部传输的现象称为热传导， 即物质各组分之间不发生相对移动时，利 用分子、原子及自由电子等微观粒子的热 运动而产生的热量传递。比如，热量从物 体内部温度较高的位置传递到温度较低的 另一位置即为一种热传导现象。
热传导的原理可用傅立叶定律来描述，即在热传
导过程中，单位时间内通过给定截面的热量与垂
直于该截面上的温度变化率和截面面积成正比。
其数学表达式为：
-A
t
x
其中，φ表示热流量(W)； λ表示导热系数，即表
征材料导热性能优劣的参数(W/mK )；
A 表示垂直于热流方向的截面面积(m2)；t 表
x
示温度 t 在 x 方向上的变化率；
(a) 铸态及固溶态 Mg-Sn 合金的热扩散系数，(b) Mg-Sn 合金的比 热容及密度，(c) 铸态及固溶态 Mg-Sn 合金的的导热及导电系数，(d) 退火态、铸态及固溶态 Mg-9Sn 合金的导热及导电系数
(a) 铸态及固溶态 Mg-Zr 合金的热扩散系数，(b) Mg-Zr 合金的比热容 及密度，(c) 铸态及固溶态 Mg-Zr 合金的的导热及导电系数，(d)退火态、 铸态及固溶态 Mg-0.5Zr 合金的导热及导电系数
如何让散热器件具有优异的散热性能，使其在长时间内保持持 续可靠的工作状态，是目前散热设计的关键。基于散热的三种 机理，人们设计出诸多散热方式 以满足热设计的要求：①自然 散热，即通过散热壳体内部的热传导及与周围空气的热对流和 热辐射而进行的被动散热，这种散热方式可靠性高且成本低， 且通过添加外部翅片的方式可以显著提高自然散热的效率；② 强迫风冷，即装入风机带动空气流动，从而增大对流换热系数， 该方法可使传热能力提高一个数量级；③ 液体冷却，即在封闭 的空间内载入循环的冷却介质，该方法散热效率高，噪音低； ④相变冷却，即通过气体和液体之间的相转变进行热量传递， 系统复杂但传热效率高；⑤热管技术，即通过封闭空间内液体 及气体的循环流动进行的相变传热。
在进行热设计的过程中一般采用“热阻”
的概念来定义热量传输的阻力：
RΒιβλιοθήκη Baidu
T
q
其中，ΔT 为温度差(℃)，q 为热流量(W)， R 为热阻(℃/W)。
一般地，工业器件所产生热量的传输路径 如下：一是该设备在工作过程中由功率耗 损而产生的热量，即中心热源(芯片级热 阻)；二是该热源的热量以热传导的方式传 输至设备的表面并开始与大气环境产生交 互作用(印刷版级热阻)；三是设备表面的 热量通过导热、对流和热辐射向环境中传 输(系统级热阻)。所以，热设计的总原则 就是自中心热源至大气环境中间，提供一
(a) 铸态及固溶态 Mg-Al 合金的热扩散系数，(b) Mg-Al 合金的比热容 及密度，(c) 铸态及固溶态 Mg-Al 合金的的导热及导电系数，(d)退火态、 铸态及固溶态 Mg-9Al 合金的导热及导电系数
(a) 铸态及固溶态 Mg-Zn 合金的热扩散系数，(b) Mg-Zn 合金的比 热容及密度，(c) 铸态及固溶态 Mg-Zn 合金的的导热及导电系数，(d) 退火态、铸态及固溶态 Mg-6Zn 合金的导热及导电系数
提高热传输效率的方法主要有两个：一是 优化电化学性能和采取先进的制造工艺， 尽量降低 器件内部的功率耗损，提高能源 的利用率，从而降低能量密度；二是利用 热特性， 在了解各设备热失效参数的条件 下，通过选用合适的导热材料，降低设备 与大气环境之间的热阻，以保证散热器件 在一个比较低的温度下工作，并把设备内 部有害的热量用较小的代价尽可能释放掉，
热辐射是指热量以电磁波的形式来进行传递，热辐射能传
递到物体表面后会被吸收或发射，且任何温度高于绝对零
度的物体都有发射或吸收电磁波的能力。 两物体间的辐
射能量传递量可通过斯蒂芬-玻尔兹曼方程计算得出：
r A (T14 T24 )
因此，辐射换热系数 hr可以表示为：
hr
r A(T1 T2 )
热对流是指流体(液体或气体)与固体表面接 触时，由流体内部热量或物质流动而引起 的与固体表面之间产生热交换的过程。对 流的强弱受到流体的物理性质， 流体的流 动状态，固体表面的形状及位置等因素的 影响。对流传热的能量密度可 用牛顿方程 来定义：
c hcA(T1 T2 )
c hcA(T1 T2 ) 其中 hc为对流换热系数(W/m2K· )，A 为固体