材料性能：6-3 材料的热传导

2012-4-11
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导热系数的定义
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�单位温度梯度1下，单位时间2内 通过单位垂直面积3的热量4
�梯度指向温度场增长的方向； �导热指向温度场降低的方向。
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导热系数的定义及表达式
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�单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂 直面积的热量。（6-3-2）（P.254）
�2 声子导热（非金属，热传导）（1.46）
� λ~ 积分式
∫ λa = C（v υ）VSl(υ)dυ
�3 光子导热（固体中的热辐射）
λ~ T3 张帆的书上 P.256（6-3-12）式
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2. 声子导热（无机非金属材料）
�在无机非金属材料中， �以什么样的机理传热？ �热传导机理？
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甘晓华—J20发动机
� 甘晓华是空军装备研究 院总工程师。
� 2011年1月6日，中央 军委给甘晓华记一等功。
� 国家科技进步二等奖2项。
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外壳材料：高铌钛铝合金 核心材料：1. 采用高纯激冷粉末制成空心涡轮盘。 2. 定向凝固的单晶材料
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航空发动机
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可见光，激光---波动
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电波，脑电波---波动
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声波---波动
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振动----波动
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� n，自由电子数
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λ = τ π2kB2 nT
e
3 m* (EF )
� T，平衡态温度
� m*，电子等效质量
�τ（EF），非平衡状态到平衡的状态，这个过程所
需要的时间，即非平衡载流子在费米能级附近的平 均生存时间，通常是μs数量级。
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�（6-3-3）（P.254）
�其中：ρ： 密度、Cp： 恒压热容
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6.3.2 热传导的微观机理（物理机制）
1. 气体中，可由分子的自由运动(自由分子)相 互碰撞而传热
2. 金属中则可由大量的自由电子的运动，相互 碰撞而传热。
� 注明：晶格振动对金属导热也有贡献，但那 是很次要的。
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航空发动机
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航空发动机
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λ—热导率
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�导热的能力有一个符号来标记： �λ—热导率 �λ纯金属＞ λ合金＞ λ建筑材料＞λ液体＞
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无机非金属材料中的热传导机理：
�晶格振动中的格波是—“声子” �无机非金属材料中，热传导方式
的热量传递者—“声子” �格波可以量子化为—“声子” �晶格传热转化为声子的热传导
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水波，海啸---波动
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1. 电子导热（金属中）
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�金属中有温度梯度， d T 在该温度梯度下电子
有扩散；
dx
� 扩散电子必然产生内建反向电场，阻止扩散；最 终电子达到稳态分布。
� 由该稳态的玻尔兹曼方程可以推得，电子热导率
λ = τ 表达式如下： e
π2kB2 nT 3 m* (EF)
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�提问： �上节课的要点是什么？
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是谁在运载热量？
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1. 导热系数的定义及表达式 2. 微观世界中，
是那一列“火车”在运载热量？
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导热系数的定义及表达式
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� λ~ 积分式
∫ λa = C（v υ）VSl(υ)dυ
�3 光子导热（固体中的热辐射）
λ~ T3 张帆的书 P. 256，（6-3-12）式
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材料的热传导
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�定义 �在材料中热量由高温区域向低温区域
传递的现象就称为热传导。其能力用 热导率（Thermal conductivity） λ来衡量。 �稳定状态下，有一个关系式--定义式。
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6.3 材料的热传导
传热的基本方式有三种： 传导--？？ 对流—质点可动 辐射—电磁波（真空中）
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热传导内容
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�6.3.1 热导率的定义 �6.3.2 热传导的物理机制-微观机理 �6.3.3 提高热冲击断裂性能的措施
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λ = − ∆Q
dT dx
×∆t×∆S
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负号表示：
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�1） dT/dx，温度梯度，指向高 温方向
�2） ΔQ 指向低温方向
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�对于不稳定传热过程：即物体内各处的 温度随时而变化，对于一个外界无热交 换，本身又存在温度梯度的物体，单位 面积上的温度随时间的变化率为：
λ绝热材料＞λ气体。
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热传导的微观机理
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�热的载体究竟是什么？ �换言之， 究竟是哪“一列火车”在运载热
量？
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热传导的微观机理要点
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�1 电子导热（固体中，含金属）
λe~ T （6-3-9）材料的性能-赵新兵 λe=π2nk2TτF/3m 书P.19，（1.44） �2 声子导热（非金属，热传导）（1.46）
�单位温度梯度下，单位时间内通过单 位垂直面积的热量。 P.254 （6-3-2）
λ = − ∆Q
dT dx
×∆t×∆S
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热传导的微观机理要点
�1 电子导热（固体中，含金属）
从（6-3-9）可推得λe~ T 材料的性能-赵新兵
λe=π2nk2TτF/3m 书P.19，（1.44）