《1.4材料的热传导材料物理性能》.ppt

晶体是置换型固溶体，非计量化合物时，热传导系数降低。 0 20 40 60 80 100 MgO 体积分数? NiO 热传导系数(卡/秒厘米0C 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 化学组成复杂的固体具有小的热传导系数 如MgO,Al2O3和MgAl2O4结构一样，而MgAl2O4的热传导系数低，2Al2O33SiO2莫来石比尖晶石更小. 1)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，导致声子平均自由程较小，热导率较低。 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。晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。 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。 3．显微结构的影响 3)多晶体与单晶体的热导率 多晶体与单晶体同一种物质，多晶体的热导率总比单晶小。 多晶材料中各种缺陷多，声子易受到散射，平均自由程小，热导率小。 低温时，多晶的热导率与单晶的平均热导率一致，温度升高， 差异变大。因为晶界、缺陷、杂质等在高温时降低声子热传 导，而多晶的光子传导较单晶弱，所以，以光子导热的高温 时，差异变大。 非晶体 晶体与非晶体 0 T(K) ? 400－600K 600－900K 0 T(K) ? · · 4）非晶体的热导率 说明： ? 非晶体的声子导热系数 在所有温度下都比晶体小； ? 两者在高温下比较接近； ? 两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。 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。 （1）玻璃的热导 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。则根据声子导热的(3.43)式： 主要用于衡量材料的绝热性能和导热性能，在热能工程、制冷技术、工业炉设计、工件加热和冷却、房屋采暖与空调、燃气轮机叶片等一系列技术领域中，有着重要的应用意义。 第四节 材料的热传导 热传导在实际工作中有哪些应用？ 1.热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量自动地从热端传向冷端的现象称为热传导。 2.稳定传热状态传热公式 稳定传热：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,△Q/△t是常数。 一、固体材料热传导的宏观规律 假如固体材料垂直于x轴方向的截面积为△S，材料沿x轴 方向的温度变化率为dT/dx，在△t时间内沿x轴正方向传过 △S截面上的热量为△Q，对于各向同性的物质，传热公式为： 式中的常数λ称为热导率(或导热系数)， dT/dx称作x方向上的温度梯度：每单位长度的温度变化。 傅里叶定律，只适用于稳定传热的条件 稳定传热公式： 3.温度梯度的意义 温度梯度是个矢量，其方向沿热流指向温度升高的方向， 负号表示沿热流是指向温度降低的方向。即： dT/dx＜0时,△Q＞0，热量沿x轴正方向传递; dT/dx＞0时，△Q＜0，热量沿x轴负方向传递。 4.导热系数 导热系数λ的物理意义是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，所以它的单位为W／(m2·K)或J／(m2·s·K)。 5.不稳定传热 不稳定传热过程：即物体内各处的温度随时间而变化。 不稳定传热的温度公式： 例如一个与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，随着时间的推移温度梯度趋于零的过程，就存在热端温度不断降低和冷端温度不断升高，最终达到一致的平衡温度。该物体内单位面积上温度随时间的变化率为 式中：ρ为密度，cP为恒压热容。 T1小 具有: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数 T大具有: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数 声子的热传导 平衡时： 同样多的振动模式振同样多的振动振幅 同样多的声子被激发 同样多的声子数 dT/dx(温度梯度） Q= -λdT/dx（能流密度）J/s.cm2 单位时间内，通过单位面积的热能. λ------晶体的热导系数J/s.cm℃ 作用于 产生 晶体 光子,电子,声子 二、固体材料热传导的微观机理 金属中：金属中有大量的自由电子，电子的质量很轻，能迅速地实现热量的传递。因此，金