热传导与热稳定性.pptx

材料的热传导材料的热传导热导率热导率(Thermal Conductivity(Thermal Conductivity）：）：（1）稳定传热过程）稳定传热过程:定义定义傅立叶（傅立叶（FourierFourier）定律：）定律：热传导热传导:材料中热量由高温向低温区域传递的现象。单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。导热能力。第1页/共17页材料的热传导材料的热传导对于一个外界无热交换，本身又存在温度对于一个外界无热交换，本身又存在温度梯度的物体，单位面积上的温度随时间的梯度的物体，单位面积上的温度随时间的变化率为变化率为:定义定义热扩散率：热扩散率：（1 1）不稳定传热过程）不稳定传热过程:导热能力：导热能力：储热能力：储热能力：CvCv热扩散率：热扩散率：魏德曼魏德曼-弗兰兹定律：弗兰兹定律：许多金属的热导率与许多金属的热导率与电导率之比与温度成正比：电导率之比与温度成正比：/=LT第2页/共17页固体材料热传导的微观机理固体材料热传导的微观机理固体导热：固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。电子导热，声子导热和光子导热。金属：金属：主要是电子导热为主，主要是电子导热为主，合金合金/半导体：半导体：电子电子/声子导热，声子导热，绝缘体：绝缘体：声子导热声子导热热传导过程：热传导过程：材料内部的能量传输过程材料内部的能量传输过程能量的载体：能量的载体：电子（德布罗意波）电子（德布罗意波）声子（格波）：声频波的量子声子（格波）：声频波的量子 光子（电磁波）光子（电磁波）第3页/共17页热传导的物理机制热传导的物理机制声子热传导：声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。热阻：热阻：声子扩散过程中的各种散射。声子扩散过程中的各种散射。热传导系数热传导系数：其中，其中，其中，其中，c c：声子比热容；：声子比热容；：声子比热容；：声子比热容；v v：声子传播速度；：声子传播速度；：声子传播速度；：声子传播速度；l l：声子平均自由程。声子平均自由程。第4页/共17页声子和声子导热声子和声子导热 微观机理微观机理v格波的传播看成是质点-声子的运动；v格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞；v格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为 声子同晶体质点的碰撞；v理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。v晶体中，热传导的实质就是碰撞。第5页/共17页 光子的导热：光子的导热：光子在介质中的传播过程光子在介质中的传播过程 （光的散射、衍射、吸收、反射和折射）（光的散射、衍射、吸收、反射和折射）热辐射：热辐射：热射线的传递过程热射线的传递过程（可见光与部分近红外光的区域）（可见光与部分近红外光的区域）光子和光子导热光子和光子导热 微观机理第6页/共17页影响热导率的因素影响热导率的因素1.1.温度的影响温度的影响 2.2.显微结构的影响显微结构的影响 3.3.化学组成的影响化学组成的影响 4.4.气孔的影响气孔的影响第7页/共17页温度的影响温度的影响 温度较低时，主要是 声子传导 自由程则有随温度的升高而迅速降低的特点高温时,则迅速降低，在40K附近，出现极大值。当达到1600K时，由于辐射传热，又有所升高 热导率随温度的变化热导率随温度的变化第8页/共17页显微结构的影响显微结构的影响几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系第9页/共17页显微结构的影响显微结构的影响晶体和非晶体材料的导热系数曲线晶体和非晶体材料的导热系数曲线第10页/共17页化学组成的影响化学组成的影响MgO-NiO的固溶体的热导率的固溶体的热导率第11页/共17页材料的热稳定性材料的热稳定性抗热冲击断裂性：抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂；材料发生瞬时断裂；抗热冲击损伤性：抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料的表在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。热稳定性（抗热振性）：热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。化（热冲击）而不致破坏的能力。热冲击损坏的类型：热冲击损坏的类型：第12页/共17页热稳定性的表示方法热稳定性的表示方法1.一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度热温度表示。（日用瓷）表示。（日用瓷）2.试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重复这样的操作，直至试样失重复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次为止，以其操作次数数n表示。表示。耐火材料耐火材料：1123K；40min；283293K；3(5!0)min3.试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。料）。第13页/共17页热应力的产生热应力的产生热应力：由于温度变化而引起的应力热应力：由于温度变化而引起的应力在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。过大，就可以在复合体中引起微裂纹。在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞后现象后现象-膨胀系数低于单晶的膨胀系数。膨胀系数低于单晶的膨胀系数。例如：在一些例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。组成物中，有此现象。第14页/共17页0 400 800 1200 温度（温度（0C）0.80.60.40.20.0膨胀（膨胀（%）由于存在显微由于存在显微裂纹而引起的裂纹而引起的多晶的热膨胀多晶的热膨胀滞后现象滞后现象1.热应力的产生热应力的产生（1）热膨胀或收缩引起的热应力）热膨胀或收缩引起的热应力当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力-（显微应力）。（显微应力）。第15页/共17页抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为这一个问题可缓解材料中的热问题，因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般有如下规律应力，一般有如下规律:热导率越高，传热越快，有利于热稳定热导率越高，传热越快，有利于热稳定;传热途径传热途径(通道通道)短，易使材料中的温度均匀短，易使材料中的温度均匀;表面散热速率。该速率大，内外温差就大，表面散热速率。该速率大，内外温差就大，热应力就高，热应力就高，就越不利于热稳定性就越不利于热稳定性。表面热传递系数表面热传递系数h h材料表面温度比周围环境材料表面温度比周围环境温度高温度高1K1K时在单位面积单位时间带走的热量时在单位面积单位时间带走的热量。第16页/共17页提高抗热冲击断裂性能的措施提高抗热冲击断裂性能的措施1.1.提高应力强度提高应力强度，减小弹性模量，减小弹性模量E E 2.2.提高材料的热导率提高材料的热导率 3.3.减小材料的膨胀系数减小材料的膨胀系数 4.4.减少材料表面热传递系数减少材料表面热传递系数 5.5.减小产品的有效厚度减小产品的有效厚度第17页/共17页