第五章晶格振动与热学性能.pptVIP

5.4.5.2 显微结构的影响 1. 晶体结构：晶体结构越复杂，晶格振动的非谐性程度越大，格波受到的散射越大，声子平均自由程越小，热导率越小。 2.单相多晶与单晶热导率：由于晶界的散射，单相多晶的热导率总比单晶小。 3.元素组成的影响：单一元素组成的单晶热导率高，由同一元素但包含不同同位素的热导率低；质点原子量越小，密度越小，弹性模量越大，德拜温度越高。则热导率越大。 4.复相材料的热导率：相组成越复杂，热导率越小，对于常见的连续基体上均匀分布的分散相结构。例如陶瓷晶相分散在玻璃相中，热导率可用公式计算： 这里λC和λd分别为连续相和分散相的热导率，Vd为分散相的体积分数。该公式也用于Cu-Diamond复合材料的热导率估算。 假设：50%的金刚石分散在铜中的热沉复合材料， λC =400， λd =1200，在不考虑界面热阻时，可计算出Cu-Diamond复合材料的热导率为700W/m.K * * * * 对于二相复合材料，设G，G1，G2分别为复合体、第1相和第2相的切变模量，则二相复合材料的体积膨胀系数αV为： 该公式计算结果与试验测量结果是一致的。 5.3.4 固体热膨胀系数的反常现象----因瓦效应 正常膨胀：随温度升高，膨胀系数先是很快的增加（α～T3），以后增加速度减慢至恒定值。 反常膨胀（Invar反常）：在正常的热膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这些变化有时非常急剧，称为反常热膨胀。膨胀峰在正常膨胀曲线上部的，称为正反常；膨胀峰在正常膨胀曲线下部的，称为负反常。 具有负反常膨胀的合金，热膨胀系数可低到接近于零，甚至负值，或在一定温度范围内基本不变，因而具有重大使用价值。 具有与常规物理现象相反的特性，均称因瓦效应。 Ni和35Ni-Fe合金的线膨胀系数随温度的变化曲线 阴影区表示反常的范围和大小，Ni为正反常膨胀，35Ni-Fe为负反常而膨胀，箭头所指为居里点，Δl/l为最大反常线膨胀系数 因瓦效应的微观机制： 尽管学者对因瓦效应进行了深入研究，提出了许多物理模型，但没有一种模型能解释所有现象。目前较为统一的认知是：因瓦效应与产生磁有序而引起的体积效应密切相关。目前因瓦理论同铁磁性理论一样分为两大支，即定域电子模型和巡游电子模型两种。 5.4 固体的热传导 5.4.1 概述： 热量的传输分三种：热传导、辐射和对流。其中对流传热需要依靠流体作热携带媒介，而辐射是依靠晶体中光学波电磁波辐射传播。热传导则是固体中依靠声子、光子和电子进行的热传输。分别称作声子热导、光子热导和电子热导。 不同晶体材料在不同环境下进行热传导的主要因素不同。如在纯金属中主要依靠电子；绝缘体主要依靠声子；在合金中电子和声子都会对热导产生较大影响；而在高温下，光子传热会起很大的作用。 5.4.2 声子热导： 1. 热导率： 与前面讨论的问题不同，热传导往往是稳态的非平衡问题。只有存在温度梯度时才能产生热能的流动。 热导率的定义：1立方米的固体，在热端面和冷端面上温度差为1度时，单位时间内（1秒）从热端面传递给冷端面的能量，称为热导率。热导率的单位是W/m.K (瓦/米.开)，或W/cm.K。 不同热载子（传热粒子）传热机制不同，这里主要阐述声子热传导机制。 这里，CV,υ,l 分别是单位体积热容，声子的平均速率，和声子的平均自由程（实际是U过程平均自由程）。 单位体积热容是声子密度的度量。由于光学波的声子速率小，而且当温度不太高时，光学波先冻结，他对热容的贡献较小，对热导的贡献也较小。晶体中对热导的主要贡献是声学波。 2. 声子热导率： 声子热导率形式与电子热导率相同： 热导率是温度的函数。原因是： （1）cV是温度的函数； （2）平均自由程由碰撞（散射）过程决定，与温度密切相关。只有υ基本与温度无关。 定容热容与温度的关系已经讨论过，现讨论平均自由程与温度的关系。 平均自由程与温度的关系取决于声子在晶体中发生的碰撞（散射），可归纳为三个重要的散射机制：（1）声子之间的散射la；（2）声子受晶体中点缺陷的散射lb；（3）声子受样品边界的散射lc。 三种散射各形成相应的热阻Wa、Wb、Wc。总热阻为： 总平均自由程为： 如果上述几种散射强度相近，则l与T的关系十分复杂。为简单起见，只讨论某一温度范围内，假设只有一种散射机制起主导作用的情况。 （1）声子与声子间的散射： 如果原子间的振动是纯简谐的，则不存在不同声子间的碰撞