第三章 固體材料的熱傳導(dǎo)及抗熱震性

第三章固體材料的熱傳導(dǎo)及抗熱震性第1頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/82§3-1固體材料的熱傳導(dǎo)一、固體材料熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律

x當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時(shí)，熱量就會(huì)從熱端自動(dòng)地傳向冷端，這個(gè)現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。對(duì)于各向同性物質(zhì)，熱傳導(dǎo)符合付立葉定律，即T1T1>T2T2第2頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/83（3-1）式也可寫成：熱導(dǎo)率λ的物理意義：?jiǎn)挝粶囟忍荻认?，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直截面積的熱量。單位：J.M-1.S-1.K-1或W.m-1.K-1。金屬λ

=50~415W/（m.K)合金λ=12~120W/（m.K)絕熱材料λ=0.03~0.17W/（m.K)非金屬液體λ=0.17~0.7W/（m.K)大氣壓氣體λ=0.007~0.17W/（m.K)第3頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/84付立葉定律只適用于穩(wěn)定傳熱的條件下，即傳熱過(guò)程中，材料在x方向上各處的溫度T是恒定的、與時(shí)間無(wú)關(guān)，即ΔQ/Δt是一個(gè)常數(shù)。對(duì)于不穩(wěn)定傳熱過(guò)程，存在以下關(guān)系式：第4頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/85熱阻：熱量傳遞所受的阻力，單位W.K-1。詳見(jiàn)熱導(dǎo)的微觀機(jī)理。第5頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/86二、固體材料熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理氣體傳熱----依靠分子的碰撞來(lái)實(shí)驗(yàn)。液體----對(duì)流和分子碰撞。固體----原子的位置固定，只能在格點(diǎn)附近作熱振動(dòng)，不能靠原子碰撞傳熱。固體傳熱依靠晶格振動(dòng)的格波（聲子）和自由電子的運(yùn)動(dòng)以及電磁輻射（光子）來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于金屬----以電子傳熱為主，自由電子多，且質(zhì)量小，所以能迅速的傳熱。其λ較高，格波的貢獻(xiàn)很次要。對(duì)于非金屬晶體，如離子晶體—自由電子極少，晶格振動(dòng)是他們的主要導(dǎo)熱機(jī)制。第6頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/87材料的熱導(dǎo)率λ=λph+λe+λl這里λph為聲子熱導(dǎo)率（晶格熱導(dǎo)率），λe為電子熱導(dǎo)率，λl為光子熱導(dǎo)率。1、電子熱導(dǎo)對(duì)于純金屬，導(dǎo)熱主要依靠自有電子，而合金導(dǎo)熱就要同時(shí)考慮聲子的貢獻(xiàn)。對(duì)于良好的金屬導(dǎo)體，金屬中存在大量的自由電子可以近似看成電子氣，那么借用理想氣體熱導(dǎo)率公式：第7頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/88第8頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/892、聲子和聲子熱傳導(dǎo)

設(shè)晶格中一質(zhì)點(diǎn)處于較高的溫度狀態(tài)下，它的熱振動(dòng)較強(qiáng)烈，而其鄰近質(zhì)點(diǎn)處的溫度較低，熱振動(dòng)較弱，由于質(zhì)點(diǎn)間存在相互作用力，振動(dòng)較弱的質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng)較強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)的影響下，振動(dòng)就會(huì)加劇、熱振動(dòng)能量就增加，所以熱量就能轉(zhuǎn)移和傳遞，使在整個(gè)晶體中熱量會(huì)從溫度高處傳向低溫處，產(chǎn)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。前面討論熱容時(shí)已知：格波可分為聲頻支和光頻支兩類，現(xiàn)將分別討論。晶格振動(dòng)傳熱機(jī)制第9頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/810量子理論：一個(gè)諧振子的能量是不連續(xù)的，只能是一個(gè)最小單元的整數(shù)倍，即為hν。晶格振動(dòng)中的能量同樣是量子化的，對(duì)于聲頻支，可看成是一種彈性波，因此把聲頻波的量子稱為“聲子”，其能量為hν。聲子的引入，對(duì)討論帶來(lái)了方便，可把格波的傳播看成是質(zhì)點(diǎn)—聲子的運(yùn)動(dòng)。把格波與物質(zhì)的相互作用理解為聲子和物質(zhì)的碰撞。運(yùn)用相似于氣體碰撞的方法，可得熱導(dǎo)率公式為：第10頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/8113、光子熱導(dǎo)固體中除了聲子熱傳導(dǎo)外，還有光子的熱傳導(dǎo)作用。這是因?yàn)楣腆w中分子、原子和電子的振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)輻射出頻率較高的電磁波。這類電磁波覆蓋了一較寬的頻譜，但是其中具有較強(qiáng)熱效應(yīng)的波長(zhǎng)在0.4~40μm間的可見(jiàn)光與部分紅外線的區(qū)域。這部分輻射線也就稱為熱射線，熱射線的傳遞過(guò)程也稱為熱輻射。由于其頻率處于光頻范圍----光子的導(dǎo)熱過(guò)程。在低溫時(shí)，固體中電磁輻射很弱，但在高溫時(shí)就很明顯，因?yàn)檩椛涞哪芰颗c溫度的四次方成正比。第11頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/812熱平衡時(shí)，吸收與發(fā)射射線的能量相同，有溫度梯度時(shí)，吸收大于輻射----熱傳導(dǎo)。對(duì)于λr，關(guān)鍵取決于lr，對(duì)于單晶、玻璃對(duì)熱射線較透明，800~1300K左右輻射傳熱已明顯。大多數(shù)燒結(jié)陶瓷，lr小，耐火氧化物，1800K才明顯。第12頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/813三、影響熱導(dǎo)率的因素1、溫度T低溫：聲頻高溫：光頻第13頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/8142、晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜：晶格振動(dòng)的非諧性程度大，散射強(qiáng)，導(dǎo)熱率低。第14頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/815第15頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/8163、化學(xué)組成輕質(zhì)質(zhì)點(diǎn)組成物質(zhì)，密度小，楊氏模量達(dá)，ΘD高的物質(zhì)的λ大，熱導(dǎo)率大。如：BN、BeO的熱導(dǎo)率較高；而SiO2、Al2O3較低。第16頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/817第17頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/8184、氣孔低溫：氣孔提高熱阻，廣頻支作用降低高溫：大氣孔，加大對(duì)流的作用，提高熱導(dǎo)率。第18頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/819§3-2陶瓷材料的抗熱震性能材料的熱穩(wěn)定性包括：熱分解、熱熔化、熱軟化、熱反應(yīng)、熱破壞（熱震性）等。對(duì)于陶瓷材料一般是指抗熱震斷裂性能和抗熱震損傷性能。前者是指材料能夠承受的最大熱沖擊溫差（一般為一次）；后者是指材料能夠承受熱循環(huán)沖擊的能力（一定溫差下的承受次數(shù)）；無(wú)論何者都與材料內(nèi)部的熱應(yīng)力有關(guān)（不均勻受熱所致）。自學(xué)P280§5.5第19頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/820§3-3材料導(dǎo)熱率的測(cè)定

（P288§5.6）

熱導(dǎo)率是重要的物理參數(shù)。在宇航、原子能、建筑材料等工業(yè)部門都要求對(duì)有關(guān)材料得熱導(dǎo)率進(jìn)行預(yù)測(cè)或?qū)嶋H測(cè)定，但在材料研究方法中應(yīng)用較少。熱導(dǎo)率測(cè)試可以分為穩(wěn)態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩類。一、穩(wěn)態(tài)測(cè)試常用的方法是駐留法。該方法要求在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試樣各點(diǎn)的溫度保持不變，以使流過(guò)試樣橫截面的熱量相等，然后利用測(cè)出的試樣溫度梯度dT/dx及熱流量，計(jì)算出材料的熱導(dǎo)率。駐留法又分為直接法和比較法。第20頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/8211、直接法2、比較法二、動(dòng)態(tài)測(cè)試動(dòng)態(tài)（非穩(wěn)態(tài)）測(cè)試主要是測(cè)量試樣溫度隨時(shí)間變化率，從而直接得到熱擴(kuò)散系數(shù)。在已知材料比熱容后，可以算出熱導(dǎo)率。這種測(cè)試方法主要有閃光法（flashmethod）--激光熱導(dǎo)儀。第21頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/822第22頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/823§3-4金屬與合金的熱電性一、金屬的三種熱電效應(yīng)1、塞貝克（Seeback）效應(yīng)---第一熱電效應(yīng)

T1≠T2，回路中存在熱電流，這種由于溫差而產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象稱為

Seeback效應(yīng)?；芈分袩犭娏鞯漠a(chǎn)生表明回路中存在熱電勢(shì)，熱電勢(shì)的符號(hào)通常以熱端電流的方向來(lái)確定，若熱端電流由A流向B，則B金屬對(duì)于A金屬具有正的熱電勢(shì)，A金屬則相對(duì)具有負(fù)的熱電勢(shì)。熱電勢(shì)的大小取決于A、B金屬的本性及熱端、冷端的溫差大小。第23頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/824Seeback效應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差。接觸電勢(shì)差的形成：A、B金屬中的電子均會(huì)進(jìn)入對(duì)方金屬中去，但數(shù)量不等（數(shù)量取決于A、B金屬的電子逸出功和有效電子密度）。若A金屬的逸出功大于B金屬（即A的Feimi能級(jí)EF小于B），A金屬的有效電子密度小于B。則B進(jìn)入A中的電子大于A進(jìn)入B中的電子，這樣，A負(fù)電位，B正電位。逸出功取決于EF（與T無(wú)關(guān)），因而溫度升高，主要影響N有效，并導(dǎo)致UAB升高。第24頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/825所以，兩種不同金屬A和B產(chǎn)生的接觸電勢(shì)差的表達(dá)式：第25頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/8262、帕爾貼（Peltier）效應(yīng)---第二熱電效應(yīng)當(dāng)電流通過(guò)A、B兩金屬組成的接觸點(diǎn)時(shí)，除了固定電流流經(jīng)電路而產(chǎn)生焦耳熱外，還會(huì)在接觸點(diǎn)額外產(chǎn)生吸熱或放熱的效應(yīng)---Peltier效應(yīng)，其吸收或放出的熱量稱為Peltier熱。第26頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/8273、湯姆遜（Thomson）效應(yīng)---第三熱電效應(yīng)當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端存在溫差時(shí)，若通以電流，則在該段導(dǎo)線中將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象----Thomson效應(yīng)。電流方向與熱流方向一致時(shí)產(chǎn)生放熱，反之則產(chǎn)生吸熱。第27頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/828二、影響金屬熱電勢(shì)的因素1、金屬本性的影響（+）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-