1、2020 4 10 1 第三章固体材料的热传导 抗热震性能及热电性能 P257 5 3材料的导热性P280 5 5材料的热稳定性P288 5 6材料热导率的测量方法P268 5 4热电性 2020 4 10 2 3 1固体材料的热传导 一 固体材料热传导的宏观规律x当固体材料一端的温度比另一端高时 热量就会从热端自动地传向冷端 这个现象称为热传导 对于各向同性物质 热传导符合付立叶定律 即 T1T1 T2T2 2020 4 10 3 3 1 式也可写成 热导率 的物理意义 单位温度梯度下 单位时间内通过单位垂直截面积的热量 单位 J M 1 S 1 K 1或W m 1 K 1 金属 50 41
2、5W m K 合金 12 120W m K 绝热材料 0 03 0 17W m K 非金属液体 0 17 0 7W m K 大气压气体 0 007 0 17W m K 2020 4 10 4 付立叶定律只适用于稳定传热的条件下 即传热过程中 材料在x方向上各处的温度T是恒定的 与时间无关 即 Q t是一个常数 对于不稳定传热过程 存在以下关系式 2020 4 10 5 热阻 热量传递所受的阻力 单位W K 1 详见热导的微观机理 2020 4 10 6 二 固体材料热传导的微观机理 气体传热 依靠分子的碰撞来实验 液体 对流和分子碰撞 固体 原子的位置固定 只能在格点附近作热振动 不能靠原子碰
3、撞传热 固体传热依靠晶格振动的格波 声子 和自由电子的运动以及电磁辐射 光子 来实现 对于金属 以电子传热为主 自由电子多 且质量小 所以能迅速的传热 其 较高 格波的贡献很次要 对于非金属晶体 如离子晶体 自由电子极少 晶格振动是他们的主要导热机制 2020 4 10 7 材料的热导率 ph e l这里 ph为声子热导率 晶格热导率 e为电子热导率 l为光子热导率 1 电子热导对于纯金属 导热主要依靠自有电子 而合金导热就要同时考虑声子的贡献 对于良好的金属导体 金属中存在大量的自由电子可以近似看成电子气 那么借用理想气体热导率公式 2020 4 10 8 2020 4 10 9 2 声子和
4、声子热传导设晶格中一质点处于较高的温度状态下 它的热振动较强烈 而其邻近质点处的温度较低 热振动较弱 由于质点间存在相互作用力 振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下 振动就会加剧 热振动能量就增加 所以热量就能转移和传递 使在整个晶体中热量会从温度高处传向低温处 产生热传导现象 前面讨论热容时已知 格波可分为声频支和光频支两类 现将分别讨论 晶格振动传热机制 2020 4 10 10 量子理论 一个谐振子的能量是不连续的 只能是一个最小单元的整数倍 即为h 晶格振动中的能量同样是量子化的 对于声频支 可看成是一种弹性波 因此把声频波的量子称为 声子 其能量为h 声子的引入 对讨论带来了方便
5、可把格波的传播看成是质点 声子的运动 把格波与物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞 运用相似于气体碰撞的方法 可得热导率公式为 2020 4 10 11 3 光子热导固体中除了声子热传导外 还有光子的热传导作用 这是因为固体中分子 原子和电子的振动等运动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波 这类电磁波覆盖了一较宽的频谱 但是其中具有较强热效应的波长在0 4 40 m间的可见光与部分红外线的区域 这部分辐射线也就称为热射线 热射线的传递过程也称为热辐射 由于其频率处于光频范围 光子的导热过程 在低温时 固体中电磁辐射很弱 但在高温时就很明显 因为辐射的能量与温度的四次方成正比 2020 4 10
6、12 热平衡时 吸收与发射射线的能量相同 有温度梯度时 吸收大于辐射 热传导 对于 r 关键取决于lr 对于单晶 玻璃对热射线较透明 800 1300K左右辐射传热已明显 大多数烧结陶瓷 lr小 耐火氧化物 1800K才明显 2020 4 10 13 三 影响热导率的因素 1 温度T低温 声频高温 光频 2020 4 10 14 2 晶体结构复杂 晶格振动的非谐性程度大 散射强 导热率低 2020 4 10 15 2020 4 10 16 3 化学组成轻质质点组成物质 密度小 杨氏模量达 D高的物质的 大 热导率大 如 BN BeO的热导率较高 而SiO2 Al2O3较低 2020 4 10
7、17 2020 4 10 18 4 气孔低温 气孔提高热阻 广频支作用降低高温 大气孔 加大对流的作用 提高热导率 2020 4 10 19 3 2陶瓷材料的抗热震性能 材料的热稳定性包括 热分解 热熔化 热软化 热反应 热破坏 热震性 等 对于陶瓷材料一般是指抗热震断裂性能和抗热震损伤性能 前者是指材料能够承受的最大热冲击温差 一般为一次 后者是指材料能够承受热循环冲击的能力 一定温差下的承受次数 无论何者都与材料内部的热应力有关 不均匀受热所致 自学P280 5 5 2020 4 10 20 3 3材料导热率的测定 P288 5 6 热导率是重要的物理参数 在宇航 原子能 建筑材料等工业部
8、门都要求对有关材料得热导率进行预测或实际测定 但在材料研究方法中应用较少 热导率测试可以分为稳态测试和动态测试两类 一 稳态测试常用的方法是驻留法 该方法要求在整个试验过程中 试样各点的温度保持不变 以使流过试样横截面的热量相等 然后利用测出的试样温度梯度dT dx及热流量 计算出材料的热导率 驻留法又分为直接法和比较法 2020 4 10 21 1 直接法2 比较法二 动态测试动态 非稳态 测试主要是测量试样温度随时间变化率 从而直接得到热扩散系数 在已知材料比热容后 可以算出热导率 这种测试方法主要有闪光法 flashmethod 激光热导仪 2020 4 10 22 2020 4 10
9、23 3 4金属与合金的热电性 一 金属的三种热电效应1 塞贝克 Seeback 效应 第一热电效应T1 T2 回路中存在热电流 这种由于温差而产生的热电现象称为Seeback效应 回路中热电流的产生表明回路中存在热电势 热电势的符号通常以热端电流的方向来确定 若热端电流由A流向B 则B金属对于A金属具有正的热电势 A金属则相对具有负的热电势 热电势的大小取决于A B金属的本性及热端 冷端的温差大小 2020 4 10 24 Seeback效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差 接触电势差的形成 A B金属中的电子均会进入对方金属中去 但数量不等 数量取决于A B金属的电子逸出功和有效电
10、子密度 若A金属的逸出功大于B金属 即A的Feimi能级EF小于B A金属的有效电子密度小于B 则B进入A中的电子大于A进入B中的电子 这样 A负电位 B正电位 逸出功取决于EF 与T无关 因而温度升高 主要影响N有效 并导致UAB升高 2020 4 10 25 所以 两种不同金属A和B产生的接触电势差的表达式 2020 4 10 26 2 帕尔贴 Peltier 效应 第二热电效应当电流通过A B两金属组成的接触点时 除了固定电流流经电路而产生焦耳热外 还会在接触点额外产生吸热或放热的效应 Peltier效应 其吸收或放出的热量称为Peltier热 2020 4 10 27 3 汤姆逊 Th
11、omson 效应 第三热电效应当一根金属导线两端存在温差时 若通以电流 则在该段导线中将产生吸热或放热现象 Thomson效应 电流方向与热流方向一致时产生放热 反之则产生吸热 2020 4 10 28 二 影响金属热电势的因素 1 金属本性的影响 Si Sb Fe Mo Cd W Au Ag Zn Rh Zr Tl Cs Ta Sn Pb Mg Al 石墨 Hg Pt Na Pd K Ni Co Bi 中间金属定律 相同温度下 组成回路的电位差只与两端的合金有关与中间的连线无关 2 合金化的影响3 碳含量对钢热电势的影响 2020 4 10 29 三 热电势的测量与应用 1 热电势的测量 1 电子电位差计 2 示差测量热电势2 热电势分析的应用 1 热电偶 2 合金时效 3 马氏体回火
