02材料的热学性能4概论.ppt

由于辐射传热中，容积热容相当于提高辐射温度所需能量 同时 则： 式中，lr＝辐射线光子的平均自由程， ＝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： 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值出现极大值，见图3.9。 2．显微结构的影响（micro-structure） （1）结晶构造的影响 声子传导与晶格振动的非谐性有关，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，因此，声子平均自由程较小，热导率较低，见图3.10。 （2）各向异性晶体的热导率 非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性。温度升高，晶体结构总是趋于更好的对称。因此，不同方向的λ差异变小。 （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 l 小得多，因此 l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），随温度升高，声子热容趋于一常数，故声子导热系数曲线出现一条近平行于横坐标的直线。若考虑到此时光子导热的贡献，Fg变成Fg’段。 ③ gh段高温以上（＞900K），随着温度升高，声子导热变化不大，相当于gh段。但考虑光子导热贡献，则为gh→g’h’。 晶体与非晶体导热系数曲线的差别： ① 非晶体的导热系数（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体的小。 ② 在高温下，二者比较接近，因为声子热容在高温下都接近3R。 ③ 非晶体与晶体导热系数曲线的重大区别是前者没有导热系数峰值点m。见图3.13。 这也说明非晶体物 质的声子平均自由程在所有温度范围内均接近为一常数。 3．化学组成的影响 质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率λ愈大。 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。 四、某些材料的热导率 通常低温时有较高热导率的材料，随着温度升高，热导率降低。而低热导率的材料正相反。前者如Al2O3, BeO和MgO等。 式中：T—热力学温度（K）；A—常数， 例如： =16.2， =18.8， =55.4。上式适用的温度范围，Al2O3和MgO是293～2073K，BeO是1273～2073K。 玻璃体的导热率随温度的升高而缓慢增大。高于773 K , 由于辐射传热的效应使导热率有较快的上升，其经验方程式： 式中： c,d 为常数 某些建筑材料，粘土质耐火砖以及保温砖等，其导热率随温度升高线性增大。一般的方程式是： 是0度时材料的导热率 , b是与材料性质有关的常数. 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： 第三节 材料的热膨胀 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： 式中，αV体膨胀系数，相当于温度升高1k时物体体积相对增长值。 对于物体是立方体（cube） 由于αl 值很小，可略 以上的高次项，则： 与上式比较，就有以下近似关系： 对于各向异性的晶体（crystal），各晶轴方向的线膨胀系数不同，假如分别为αa、αb、αc，