固体材料热导率的测量技术与理论分析课件.pptx

固体材料热导率的测量技术与理论分析目录前言Ⅰ.固体导热机制概述1.热的微观理论2.导热载体类别3.导热系数理论曲线的实验验证4.工程材料导热因子的理论分析Ⅱ.影响材料导热系数的物理、化学因素1.温度2.体积密度3.晶体结构4.化学成分5.气孔6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹7.与其他物性的关联性目录Ⅲ.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.相变的导热研究2.电畴的导热研究3.晶态物质导热的非晶态行为4.晶界状态的导热研究5.微裂纹的导热研究Ⅳ .热功能材料热性能的优化和设计前言热物理性质输运性质：热导率、热扩散率、热膨胀、热辐射、粘度热力学性质：比热、热焓热物性学研究范畴1.热物性测试方法和技术研究2.热物性物理模型和机制研究3.热物性变化规律及影响因素研究4.宏观热物性与微观结构、显微组织、化学成分间关系研究5.热物性数据判读及数据库建立热物性在基础科学和工程技术中的作用航天技术—宏观热障IC和IT技术—微观热障能源技术和动力工程—热装置的热设计热过程的热分析热功能材料的删选及优化研究材料微观结构变化的一种新方法Ⅰ.固体热导率测量方法1.基本概念热导率 导热系数 thermal conductivity：单位温度梯度、单位厚度热扩散率 热扩散系数 thermal diffusivity：温度扩散快慢传热系数 heat transfer coefficient:两侧流体间传热强度换热系数 heat exchange coefficient：固体与流体的换热强度2.方法考虑在固体热导率的实验测定中，对于不同的试验温度范围和具有不同热导率数值范围的各类材料，需要许多不同的测试方法。因此，至今还没有一种测试方法能适用于所有的材料和所有的温度范围。在选定一种合适的测试方法时，需要考虑如下因素：1）材料的物理特性2）把试样加工成所需几何形状的可能性和难易程度3）所需的测试准确度和精度4）测试周期的长短5）建立测试装置所需的时间和资金。3.方法分类文献：谢华清, 奚同庚. 低维材料热物理, 上海: 上海科学技术文献出版社, 2008.4.稳态法典型方法——平板法/保护热流法适用：较低热导率、疏松颗粒或复合类保温保冷材料注意：一维热流不满足，径向散热导致温差偏大，从而结果会偏小。应根据功率来进行散热校正。5.非稳态法典型方法——热线法/探针法A加热线样品电流计熱流熱电偶V电圧计T2T1λ= 　温度(K)q?ln(t2 /t1)4π (T2 -T1)t1t2时间log(t)适用：中低热导率、纤维类、耐火砖或复合类保温保冷材料注意：样品尺寸要求不能热流碰边界；热线蓄热和散热导致结果偏大；根据样品热导率选择功率6.非稳态法典型方法——激光闪光法适用：致密固体材料注意：结果对激光均匀性和样品厚度较为敏感。理想状态激光脉冲时间相对于热扩散时间可忽略前表面均匀吸收激光脉冲样品绝热边界条件样品均匀和各向同性样品不透明温升无限小影响测试结果的因素激光不均匀（包括激光不对准）样品温度不准确温升过高温升测量非线性样品厚度过小或过大样品半透明1. 激光不均匀（包括激光不对准）在一定厚度下，中间能量高－－－实线，测试偏大 中间能量低－－－虚线，测试偏小2.样品温度不准确对不同趋势样品影响不一样测温热电偶电势 与 金属特性温接点温度相关容易收到 碳、磷和其它金属的污染，且敏感使用期内的热电偶，应经常检查热电极和保护管是否良好，如果发现热电偶表面有麻点、污渍、局部直径变细或保护管表面腐蚀严重等现象，应停止使用，并维修或更换新热电偶。 前后热电偶的温差在300度较大，随温度升高逐渐降低3.温升过高原则上，激光能量大小不影响测量，但是，温升过大，会使影响变大可承受的温升为5 K，-3％，10K，-5％尽量小的激光电压偏差对温升的依赖4.温升测量非线性4 um波长在不同温度的光谱辐射能量PbS的线性响应300K时10K温升实际测量非线性变形实线－－－理想虚线－－－变形不同温度下非线性导致的偏差实线－－－10K温升虚线－－－5K温升5.样品厚度过小或过大应该比激光时间大2个数量级特征时间厚度过小，结果偏小厚度过大，结果偏大6.样品半透明加涂层后，结果偏小，影响小于1％仍然透光，结果偏大，影响3％～5％校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数的实测曲线（1）无机非金属材料（陶瓷等）陶瓷材料（晶体）导热系数的理论曲线校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数石墨和的SiC导热系数曲线（2）非晶态材料非晶态材料可看成是近程有序、远程无序的结构玻璃等非晶体材料导热系数的理论曲线1—声子导热和光子导热的贡献 2—声子导热的贡献石英玻璃的实测导热系数曲线几种不同组分玻璃的实测导热系数曲线（3）金属材料金属导热系数的理论曲线金属导热系数的实测曲线4.工程材料的导热因子分析有效导热系数