第五章-材料的热性能.ppt

若晶格的热振动是严格的线性振动，则晶格中各质点按各自的频率独立地作简谐振动，格波间无相互作用，声子在晶格中是畅通无阻的，晶体中热阻为零，热量则以声子的速度在晶体中传递──这显然是不符合实际情况的。 声子在晶体中并不是畅通无阻的，这主要是因为晶格的热振动并非是严格的线性，晶格间具有一定的耦合作用；声子与声子也会发生碰撞。 声子间的碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。引起散射的其它原因还有：缺陷、杂质、晶粒界面。 碰撞取决于平均自由行程。波长长的格波容易绕过缺陷(相当于自由行程增大)，自由行程与温度有关（温度增高，自由行程减小），但由温度引起的自由行程的减小有一定的限度，高温下，最小的平均自由行程相当于几个晶格间距，低温时，最长的自由行程可达整个晶粒的长度。 声子的速度可以看成是仅与晶体的密度和弹性力学性质有关，而与频率无关。但声子的热容和自由程都是声子振动频率的函数。 2.光子导热 固体中分子、原子等质点的振动、转动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波。这类电磁波谱较宽，其中波长在0.4-40μm间的可见光与部分红外光称为热射线，热射线的传递过程称为热辐射。由于它们都在光频范围内，所以在讨论它们的导热过程时，可以看作是光子的导热过程。 实际上，任何温度的物体既能辐射出一定频率范围的射线，也能吸收来自外界的类似的射线。而当介质中存在温度梯度时，在两相邻体积元间温度高的体积元辐射的能量多，而吸收的能量少;温度较低的体积元情况正相反，吸收的能量多于辐射的能量。因此产生能量的转移，以致整个介质中热量会从高温处向低温处传递。 5.3.3.2 热导率的影响因素 (1)温度的影响 1）讨论的基础 在温度不太高的范围内，主要是声子传导. 声子速度v：通常可看作是常数，只有在温度较高时，由于介质的结构松驰而蠕变，使介质的弹性模量迅速下降，v减小。 热容c：在低温下与T3成比例，在超过德拜温度便趋于一恒定值。 声子平均自由程l：随着温度升高而降低。l值随温度的变化规律是：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。 2）例 以Al2O3为例，右图是氧化铝的热导率与温度的关系曲线。 （1）在很低温度下 l：已增大到晶粒的大小，达到了上限，因此，l值基本上无多大变化； cr（热容）：在低温下与T3成正比； v：常数。 所以，k也近似与T3成比例地变化。随着温度升高， k迅速增大。 （2）温度继续升高 cv随温度T的变化也不再与T3成比例，并在德拜温度以后，趋于一恒定值； l值因温度升高而减小，并成了主要影响因素。 因此， k值随温度升高而迅速减小。 43 （3）在更高的温度下 cv已基本上无变化； l值也渐趋于下限。 所以，k随温度的变化变得缓和。在达到1600K的高温后， k值又有少许回升。这是高温时辐射传热带来的影响。 (2)化学组成的影响： 对于无机非金属材料：材料结构相同，相对原子质量小，密度小，弹性模量大，德拜温度越高，热导率越大。轻元素的固体和结合能大的固体热导率大。 对于固溶体：降低热导率 （3)．显微结构的影响 a)结晶构造的影响 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。 b)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。 温度升高时，不同方向的热导率差异减小。这是因为温度升高，晶体的结构总是趋于更好的对称。 c)多晶体与单晶体的热导率 对于同一种物质。多晶体的热导率＜单晶体热导率。 图表示了几种单晶和多晶体热导率与温度的关系。从图可见： ①由于多晶体中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以热导率小。 ②低温时多晶的热导率与单晶的平均热导率一致，但随着温度升高，差异迅速变大。 这也说明了晶界、缺陷、杂质等在较高温度下对声子传导有更大的阻碍作用， ③单晶在温度升高后比多晶在光子传导方面有更明显的效应。 (4）非晶体的热导率 关于非晶体无机材料的导热机理和规律，以玻璃作为实例来进行分析。 （1）玻璃的热导 玻璃具有近程有序、远程无序的结构。可近似地把它当作由直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的“晶体”。 因为，对于晶粒极细的玻璃来说，它的声子平均自由程在不同温度将基本上是常数，其值近似等于几个晶格间距。 所以，根据声子导热的公式： 可知，在较高温度下玻璃的导热主要由热容与温度的关系决定，在更高温度以上则需考虑光子导热的贡献。 （2）玻璃的热导率与温度的关系 47 ①在中低温(400～600K)以下：即随着温度的升高，玻璃的导热系数上升。这