《無機(jī)材料物理性能》第9講

1、第九講第九講定義定義在材料中熱量由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的現(xiàn)象就稱為熱傳導(dǎo)。其能力用熱導(dǎo)率(Thermalconductivity）來衡量。定義tSdxdtQ即為導(dǎo)熱系數(shù)，顯然其物理含義是: 單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過 單位垂直面積的熱量。穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)下下22xTctTp定義不穩(wěn)定傳熱過程：不穩(wěn)定傳熱過程： 物體內(nèi)各處的溫度隨時(shí)而變化，對于一個(gè)外界無熱交換，本身又存在溫度梯度的物體，單位面積上的溫度隨時(shí)間的變化率為:：氣體中，可由分子的自由運(yùn)動而傳熱；氣體中，可由分子的自由運(yùn)動而傳熱；金屬中則可由大量的自由電子的運(yùn)動而傳金屬中則可由大量的自由電子的運(yùn)動而傳熱；在無機(jī)非金屬材料中，以什么

2、樣的機(jī)熱；在無機(jī)非金屬材料中，以什么樣的機(jī)理傳熱？理傳熱？ v 無機(jī)非金屬材料中，主要是格波傳熱。無機(jī)非金屬材料中，主要是格波傳熱。格波分聲頻支與光頻支，它們在傳熱過程中所起格波分聲頻支與光頻支，它們在傳熱過程中所起的作用是不同的。的作用是不同的。v格波的傳播看成是質(zhì)點(diǎn)-聲子的運(yùn)動；v格波與物質(zhì)的相互作用，則理解為聲子和物質(zhì)的碰撞；v格波在晶體中傳播時(shí)遇到的散射，則理解為 聲子同晶體質(zhì)點(diǎn)的碰撞；v理想晶體中的熱阻，則理解為聲子與聲子的碰撞。v晶體中，熱傳導(dǎo)的實(shí)質(zhì)就是碰撞。 聲頻波的量子光頻波的量子光子光子聲子聲子氣體的熱傳導(dǎo)公式為：氣體的熱傳導(dǎo)公式為： lc31v dvlc31聲頻支聲子的速度

3、與頻率無關(guān)，但熱容與自聲頻支聲子的速度與頻率無關(guān)，但熱容與自由行程卻與頻率有關(guān)，故固體熱導(dǎo)率的普遍由行程卻與頻率有關(guān)，故固體熱導(dǎo)率的普遍形式為：形式為： 聲子的平均自由程：聲子的平均自由程：聲子間會產(chǎn)生碰撞，使聲子的平均自由程減少晶體中的各種缺陷、雜質(zhì)以及晶格界面都會引起格波的散射，也等效于聲子的平均自由程減小平均自由程還與聲子振動頻率有關(guān)平均自由程還與溫度有關(guān)固體中分子、原子、電子的振動、轉(zhuǎn)動等運(yùn)動狀態(tài)的改變，會輻射出電磁波，具有較強(qiáng)熱效應(yīng)的波長在0.440m間(相當(dāng)于可見光、近紅外光區(qū))。熱射線的傳遞稱為熱輻射，在溫度不太高時(shí)，黑體單位體積的輻射能為：434TnET33Tn16TEcRr3

4、2rlTn316故有從而有斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)428/1067. 5KmW一般的表達(dá)式仍然是：一般的表達(dá)式仍然是：)(vL)( c31定性解釋：任何黑體都會輻射出能量，也會接受能量。溫度高的單元體中，放出的能量多，而吸收的能量少，而溫度低的單元體中，放出的能量少，而吸收的能量多。結(jié)果結(jié)果：熱量從高溫處流向了低溫處。 光子的自由行程光子的自由行程l lr rv 透明度 v 對頻率在可見光與近紅外光的光子，吸收和散射也很重要 溫度的影響溫度的影響 顯微結(jié)構(gòu)的影響顯微結(jié)構(gòu)的影響 化學(xué)組成的影響化學(xué)組成的影響 氣孔的影響氣孔的影響幾種晶態(tài)氧化物及玻璃態(tài)氧化硅的幾種晶態(tài)氧化物及玻璃態(tài)氧化硅的1/1/lTlT曲線曲線熱導(dǎo)率隨溫度的變化熱導(dǎo)率隨溫度的變化 溫度較低時(shí)，主要是 聲子傳導(dǎo) 自由程則有隨溫度的 升高而迅速降低的特點(diǎn) 高溫時(shí),則迅速降低，40K附近，出現(xiàn)極 大值。當(dāng)達(dá)到1600K 時(shí)，由于輻射傳熱， 又有所升高幾種不同晶型的無機(jī)材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系幾種不同晶型的無機(jī)材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線晶體和非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線晶體和非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線l非晶體的導(dǎo)熱系數(shù)在所有溫度下都比晶體的??；l晶體和非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)在高溫時(shí)比較接近；l非晶體沒有導(dǎo)熱系數(shù)的峰值點(diǎn)，說明非晶體物質(zhì)的聲子平均自由程在幾乎所有的溫