材料物理与力学性能热学13

nullnull1.3材料的热导热传导的宏观规律热传导：一块材料温度不均匀或两个温度不同的物体相互接触，热量会自动从高温区向低温区传播傅里叶导热定律：热导率，导热系数，W/(m.K)导热系数在数值上等于单位温度梯度作用下的热流密度，反映了材料的导热能力，在相同的温度梯度作用下，物体的导热系数越大，导热传递的热量也越大null金属：50~415 合金：12~120 绝热材料：0.03~0.17 非金属液体：0.17~0.7 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 气体：0.0007~0.17傅里叶定律只适用于稳态热传导 非稳态过程由于温度梯度与时间有关，因此需对导热微分方程求解计算典型材料热导率 W/(m.K)null非稳态条件下，材料内温度随时间变化，且与具体位置有关，则可得截面各点温度变化率热扩散率（导温系数）建立了不稳定导热过程中物体热量传导变化和温度变化的关系， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征了温度变化的速度，α越大，物体各处温差越小其中钢淬火时，钢件温度外部低，内部高。若钢的导温系数大，则温度梯度小。试样温度比较均匀，反之则很大。 由于各种钢的密度和比热容相差不大，所以导热系数愈高，导温系数也愈高null热阻表征了热量传递所受的阻力ΔT为热流量Φ通过的截面所具有的温度差热阻的倒数为热导 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 上进行保温或热交换材料选择时，还引入了热阻的概念上述参数的选择需要根据研究及应用中实际情况进行选择null金属：存在大量自由电子，晶格振动相对较小 非金属：自由电子很少，晶格振动是主要的材料传热的机制 气体：分子碰撞 固体：质点只能微小振动 电子运动、晶格振动、载流子（空穴）运动 其中晶格振动又有声频支和光频支κph: 电子热导率 κe: 声子热导率null自由电子迟豫时间金属中大量的自由电子可视为自由电子气，利用理想气体的热导率公式描述自由电子热导率金属热传导的自由电子机制null热导率 vs. 电导率金属导热、导电都是依靠自由电子为载体魏德曼--夫兰兹定律：在不太低温度下，金属热导率与电导率之比正比于温度，比例常数不依赖于具体金属典型较高电导率金属在温度大于德拜温度时都符合该定律较低温度下电导率低的金属，L0是变数、与温度及金属种类有关null当温度高于德拜温度时，金属导热主要由自由电子贡献，第二项趋于零。魏德曼定律成立 低于德拜温度较多时，L0往往下降推论：一般高电导的金属具有高热导率null纯金属热导率 vs. 温度铜的热导率与温度关系温度升高，电子平均速度增大，平均自由程因碰撞概率加大而降低，二者存在竞争，低温时速度增大为主，高温时平均自由程减小为主null晶粒尺寸：晶粒越大，热导率越高，反之亦然 晶向：立方晶体的热导率与晶向无关，非立方晶系晶体热导率表现出各向异性 杂质：强烈影响热导率null合金导热性无序固溶体：构成连续无序固溶体时，溶质组元浓度越高，热导率降低越多，并且热导率最小值靠近原子浓度50%处(过渡族符合好)钢中的合金元素，杂质及组织状态均影响热导率: 有序固溶体:热导率提高，最大值对应有序固溶体化学组分奥氏体<淬火马氏体<回火马氏体<珠光体（索氏体、屈氏体）null声子导热声频支 光频支声子导热热传导过程--声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程 根据气体热传导的经典分子动力学光子导热无机非金属热传导的声子机制null如果晶格热振动为线性，即晶格各自简谐振动，相互无作用，则声子在晶格中畅通无阻，热阻为0 格波间有一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减小 格波间相互作用愈强，也即声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低 声子间碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源 晶体中热量传递速度很迟缓null 影响声子平均自由程的因素 缺陷、杂质及晶界：都会引起格波的散射，等效于声子平均自由程的减小，从而降低热导率 振动频率：声子的振动ν不同，波长不同，波长长的格波易绕过缺陷，使自由程加大，散射小，热导率大 温度：温度升高，振动能量加大，振动频率ν加快，声子间的碰撞增多，故平均自由程减小，但其减小有一定的限度，在高温下，最小的平均自由程等于几个晶格间距；反之，在低温时，最长的平均自由程长达晶粒的尺度点缺陷：低温时激发的长声学波声子可绕过点缺陷，温度升高，平均波长减小，在接近缺陷平均间距时散射最大，温度继续升高波长变化不大 界面：低温时声子平均自由程上限为晶粒尺寸，高温时下限为晶格间距，低温下界面散射更显著null固体中的分子、原子和电子 电磁波（光子）热辐射：电磁波频谱中具有较强热效应的光子波长在0.4-40um，即可见光与部分近红外光的区域（热射线），其传递过程即热辐射 光子的导热过程--光子在介质中的传播过程 热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过程类似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射光子热导振动、转动null辐射导热机制主要发生在透明介质，此时光子具有较高的lr，热阻小。如：单晶、玻璃，在773---1273K辐射传热已很明显 对于热辐射线不完全透明的介质，lr很小，热阻大。大多数陶瓷，一些耐火材料在1773K以上辐射才明显 对于完全不透明的介质，lr=0，辐射传热可以忽略辐射能的传递能力：斯忒番--波尔兹曼常数（5.67×10-8W/(m2·K4) n ：折射率 lr： 光子的平均自由程nullT3 exp(D/2T)热辐射 氧化铝单晶的热导率随温度的变化温度的影响极大值区缓慢下降区缓慢上升区null线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：晶格偏离谐振程度越大，热阻越大 物质组分原子量之差越小，质点的原子量越小，密度越小，德拜温度越大，结合能大，热传导系数越大化学组成的影响单质具有较大的导热系数，金刚石的热传导系数比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片，例如GaAs激光器做在上面，能输出大功率 较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具有较高的热传导系数，如: BeO,SiCnull晶体是置换型固溶体，非计量化合物时，热传导系数降低 0 20 40 60 80 100 MgO 体积分数 NiO 热传导系数(W/scmK) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06化学组成复杂的固体具有小的热传导系数，如MgO,Al2O3和MgAl2O4结构一样，而MgAl2O4的热传导系数低，2Al2O33SiO2莫来石比尖晶石更小null晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多，对声子散射大晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越低 晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料 多晶体与单晶体，同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。结构的影响nullnull晶体与非晶体可以把玻璃看作直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的多晶体。非晶体的热导率晶体非晶体说明： 非晶体的声子导热系数 在所有温度下都比晶体小 两者在高温下比较接近 两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值nulloa段：400~600k中低温 声子导热，光子导热可忽略ab段：600~900k 声子导热不再增加 光子导热增大 ab’段： 不透明材料bc段：>900k 光子导热急剧增大 b’c’段：不透明材料null一般情况下，介于两者曲线之间，可能出现三种情况： 当材料中所含有晶相比非晶相多时，在一般温度以上，热导率随温度上升而有所下降。在高温下热导率基本上不随温度变化 当材料中所含的非晶相比晶相多时，热导率随温度升高而增大 当材料中所含晶相与非晶相为某一适当比例时 ，热导率可以在一个相当的范围内基本保持常数晶相和非晶相同时存在null复相陶瓷的热导率分散相均匀的分散在连续相中时null第二相不同分布状态时体积分数较小相为连续相（如液相）两相材料的相分布模型层状模型体积分数较大的相为连续相 分别得到怎样的表达式？nullLoeb 修正：考虑气孔的辐射传热得出气孔面积分数气孔的长度分数辐射面的热发射率几何因子，长条形气孔G=1，球形G=2/3气孔最大尺寸一般当ε较大或温度超过500℃ 时，采用本式气孔率的影响Eucken近似：nullnull