【正文】 2）吸收系數(shù)的影響 由于材料的 吸收系數(shù) 是影響光子平均自由程或光子導熱系數(shù)值的重要因素，而且 吸收系數(shù)又隨波長和溫度 的變化而變化。在 700～ 1500oC范圍內，由于黑體輻射的輻射光譜的峰值波長約在 2—3微米之間，而且隨著溫度的升高，峰值波長還將縮短，因此溫度升得愈高，陶瓷材料光子的有效平均自由程就愈長。K4)。 光子導熱 ?— 斯蒂芬 玻爾茲曼常數(shù) (／ cm ? C—光速 (3 108m／ s)； n－折射率 ? 輻射速度 ? 光子導熱 2316()v E n TC TC ?????CTnET434 ??23163rrn T l??? ? ?cn?? 第七章：材料熱學性能 天津大學 由較高頻率的電磁輻射所產(chǎn)生的導熱過程 ——光子導熱。s 當溫度升到足夠高時，這部分輻射能所占比重增大，它是與絕對溫度的四次方成正比的。 ? 四、光子導熱機理 在無機非金屬材料中，聲子導熱雖然是傳導熱能的主要機構，但并不是唯一的機構。 1） 在較高溫度下（室溫以上） 由晶體不完整性等引起的 聲子散射與溫度無關。 ? 晶體的不完整性、缺陷、晶粒間界、雜質等不僅引起聲子的散射，而且也會引起晶格振動的非諧性，從而使聲子間作用引起的散射加劇，進一步減小聲子的平均自由程， 導致晶體導熱系數(shù)的降低 。 2） 無機非金屬材料在較低溫度下導熱系數(shù)隨溫度升高而升高。 表明 :當溫度下降時，聲子的 平均自由程 將迅速地 增大 。 1） 無機非金屬材料在較高溫度下導熱系數(shù)隨溫度升高而下降。 因為溫度的升高使聲子振動加劇，聲子間的相互作用或碰撞加強，從而使 平均自由程 值減小。 在較高溫度下 (T＞ Θ)，德拜指出，導熱系數(shù)與 T的倒數(shù)成正比。也就是非諧性作用，使不同的格波之間存在一定的耦合，而且這些 格波或聲子的振動頻率值并不是一個常數(shù)， 因此聲子的散射機構和過程又取決于 頻率 ，導熱系數(shù)表示式應反映出與頻率 ?的關系， 第七章：材料熱學性能 天津大學 ? 對于不同的聲子散射機構，無機非金屬材料的導熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律以及平均自由程隨頻率 ?變化的規(guī)律己由許多學者進行研究。 ? 從導熱系數(shù)的表示式來看，影響無機非金屬材料導熱系數(shù)的主要因素之一： 聲子的平均自由程 。 實踐證明，這樣的概念不僅是正確的，而且對處理晶體中的導熱過程，會帶來很大的方便。 晶格振動的格波和物質的相互作用理解為 聲子和物質的碰撞 。 6）所含雜質強烈影響熱導率 第七章：材料熱學性能 天津大學 三、聲子導熱機制 在絕大多數(shù) 無機非金屬 的材料中，由于它的電子是被束縛的，因此不能成為導熱的載體，不能用電子導熱機構來解釋無機非金屬中的導熱現(xiàn)象。 觸頭材料的焊接 5)晶體結構的影響 晶體結構越復雜，熱導率越低。 第七章：材料熱學性能 天津大學 ? 固溶體：當雜質濃度很低時，雜質使熱導率的降低很明顯，雜質濃度增高時，雜質效應減弱； ? 金屬化合物：導熱系數(shù)最高； ? 合金：構成無序固溶體時 溶質組元濃度愈高，熱導率降低越多； ? 構成有序固溶體時 熱導率提高，最大值對應有序固溶體化學組分。 1)純金屬的熱導率 一價元素的金屬導電性高，導熱性能也最 好。 第七章：材料熱學性能 天津大學 TLe 0/ ??? 由金屬導熱機制： 高導電的金屬就有高的熱導率。 魏茲曼 弗蘭茲定律 L0= ?108 V2/K2 ? 當溫度高于德拜溫度，對于電導率較高的金屬適用。 因此在很低溫度下，金屬導體 導熱能力方面的差別并不象中溫和高溫下那樣明顯。 金屬的總的導熱系數(shù)曲線是虛線部分 。 VT?上面討論的電子導熱機構雖然是金屬導熱的主要機構， 但并不是唯一的機構。 第七章：材料熱學性能 天津大學 (3)很高溫度 電子運動的平均自由程 仍與溫度成反比； 電子的熱容 接近為一常數(shù) 由于電子的動能不再與溫度無關，電子運動的平均速度 與溫度的關系為 綜合考慮了上面三個因素后，很高溫度下電子的導熱系數(shù)隨著溫度的增加而略有減小。 綜合考慮了上面三個因素，在中等溫度下電子的導熱系數(shù)不隨溫度的變化而變化接近一常數(shù)。 很低溫度下電子的導熱系數(shù)隨溫度呈線性變化。 金屬中電子導熱的貢獻也可表示為 （ 7－ 98） CV一單位體積電子的熱容； V— 電子的平均速度； L— 電子的平均自由程。不過隨著溫度的降低在低溫下聲子導熱對金屬總的導熱的貢獻將略有增大。即 電子導熱機構 。 金屬和無機材料 導熱系數(shù) 數(shù)學表示式都具有相同的形式。 heat conduction theory 固體能量的載體： 自由電子、聲子、光子、分子 。 由于晶格振動的能量是量子化的，我們把晶格振動的“量子”稱為聲子。 材料內部的能量傳輸過程 ——微觀粒子的運動、碰撞 1） 氣體和液體中 ，熱量的傳導 ——通過分子或原子相互作用或碰撞來實現(xiàn)。 ? 共同的 ：所有物質的熱傳導，不管它處于什么狀態(tài)都是由于物質 內部微觀粒子相互碰撞和傳遞 的結果。 鍋爐、冷藏、石油液化、建筑結構 ——隔熱 熱阻的倒數(shù) ——熱導 1/R 導熱 ——電子元件、葉片 第七章：材料熱學性能 天津大學 ??? TR 熱傳導理論 不同的物質 :：金屬、高分子、無機非金屬 物質所處的不同狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài) 結構上有差別，相應的導熱能力也大不一樣。 3） 導熱系數(shù)高，導溫系數(shù)大。 1）在同樣加熱冷卻的條件下， ?越大，物體各處的溫差越小。 對大多數(shù)固體： 付里葉導熱定律適用于穩(wěn)態(tài)。 (7－ 86)式還可寫成 （ 7－ 87） S一面積 Q一在 t時間內通過面積 S傳導的總熱量； △ T—表面溫度與沿導熱方向 L深度處溫度的差值。 1）不同的物質的導熱系數(shù)不同，有些甚至相差幾個 數(shù)量級。 傅立葉（ Fourier）導熱定律。 q = = ?grad T (7－ 86) 式中負號表示熱量向低溫處傳播 。 ? 具有同質多晶轉變的組分加入到復合材料中后，把復合材料升溫到該組分的轉變點，其熱膨脹系數(shù)也會出現(xiàn)突然的增大。 ? 膨脹系數(shù)在轉變點處出現(xiàn)最大值。 ? 當材料內部發(fā)生相變時，其熱膨脹系數(shù)在相變點會發(fā)生突變。 石英礦物的各種變體，因 Si—O鍵的長度增加產(chǎn)生的膨脹不大，它們在轉變點發(fā)生的膨脹是由于鍵的方向發(fā)生變化引起的。 離子鍵在結構上是沒有方向性的 共價鍵有特定的方向。 例如：水鎂石 Mg(0H)2與 a軸平行的方向的熱膨脹系數(shù)大致與 MgO相同，但與 a軸垂直的方向，因為是范氏健，其膨脹系數(shù)就非常大。 1）純粹由共價鍵或離子鍵形成的晶體，一般情況，其熱膨脹系數(shù)都比較小； 2）以范德華力結合的分子晶體，其熱膨脹系數(shù)一般都非常大。一般來說，含有這種氣孔類型的材料的 熱膨脹系數(shù)與顆粒尺寸、顆粒間結合的強弱以及各向異性程度 等許多因素有關，因而難于找到一個通用的計算熱膨脹系數(shù)的經(jīng)驗公式。顆粒之間充斥著氣體。這說明連續(xù)固相中的氣孔不會對材料的熱膨脹系數(shù)帶來明顯的影響。 1）氣孔彌散分布在連續(xù)的固相基體中 可以把它看作是氣孔 (氣相 )和固相的復合材料。 立方：體膨脹系數(shù) ? = 3 ? 第七章：材料熱學性能 天津大學 ? Megaw從物質結構的觀點提出： ? 具有相同結構的晶體，其熱膨脹系數(shù)與化合價的平方成反比 。 彈性模量高的方向膨脹系數(shù)小。 共價鍵或離子鍵形成的晶體， 一般情況，其熱膨脹系數(shù)都比較??； 范德華力結合的分子晶體 ，其熱膨脹系數(shù)一般都非常大。 一級相變時，膨脹系數(shù)有 不連續(xù)變化 ， ? 二級相變時，相變點處膨脹系數(shù)曲線上 有拐點 。 ZrO2晶型轉變 —體積收縮 。 Fe,Co,Ni磁性轉變區(qū)的膨脹曲線 Fe35%Ni負反常膨脹曲線 由于磁致伸縮抵消了正常膨脹的結果 第七章：材料熱學性能 天津大學 第七章：材料熱學性能 天津大學 同素異構轉變時，熱膨脹系數(shù)不連續(xù)變化。 ? 在沒有 相變時， 熱膨脹系數(shù)隨溫度升高連續(xù)增大。 ? 鐵： 12?106/C ，石英 0。 ? IA族： ? 隨原子序數(shù) 增加而增大 ； ? 其余 A族 ? 隨原子序數(shù)增加而 減小 。 第七章：材料熱學性能 天津大學 00 ??VVVMT 物體的熔點越低，熱膨脹系數(shù)越大， 熔點高的材料熱膨脹系數(shù)較小 。 物質的 熔點 是其 結合鍵強度 的表征之一。 ? 低溫下 Cv ? T3 ， ? 熱膨脹系數(shù)在低溫下 ? 也是按 T3規(guī)律變化。 ? 格律乃森方程： （ 777） ? 格律乃森常數(shù)， —， X—壓縮系數(shù)， Cv—等容熱容。 第七章：材料熱學性能