固体材料的热传导及抗热震性

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1、2021/8/121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2021/8/122§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T1T1>T2T22021/8/123（3-1）式也可写成：热导率λ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λ=50~415W/

2、（m.K)合金λ=12~120W/（m.K)绝热材料λ=0.03~0.17W/（m.K)非金属液体λ=0.17~0.7W/（m.K)大气压气体λ=0.007~0.17W/（m.K)2021/8/124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ΔQ/Δt是一个常数。对于不稳定传热过程，存在以下关系式：2021/8/125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。2021/8/126二、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

3、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λ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。2021/8/127材料的热导率λ=λph+λe+λl这里λph为声子热导率（晶格热导率），λe为电子热导率，λl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：20

4、21/8/1282021/8/1292、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2021/8/1210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hν。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

5、为“声子”，其能量为hν。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：2021/8/12113、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0.4~40μm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

6、时就很明显，因为辐射的能量与温度的四次方成正比。2021/8/1212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λr，关键取决于lr，对于单晶、玻璃对热射线较透明，800~1300K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。2021/8/1213三、影响热导率的因素1、温度T低温：声频高温：光频2021/8/12142、晶体结构复杂：晶格振动的非谐性程度大，散射强，导热率低。2021/8/12152021/8/12163、化学组成轻质质点组成物质，密度小，杨氏模量达，ΘD高的物质的λ大，热导率大。如：BN、BeO

7、的热导率较高；而SiO2、Al2O3较低。2021/8/12172021/8/12184、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。2021/8/1219§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