固体材料热物理性质讲义

固体材料导热性能的机制、影响因素及优化奚同庚中国科学院上海硅酸盐研究所1959：毕业于北京科技大学,同年起在中科院上海硅酸盐研究所工作1963：助研，课题组长1981：副研，室主任1985：研究员、博导1983～1991：副所长研究方向：材料热物性学，热功能材料，能源技术  论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ：已发 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 150余篇，其中国外发表70余篇（J.Appl.Phy.,Trans.J.Br.Ceram.Soc.,Ferroelectrics,J.Mat.,Sci.Let.,Inter.J.Thermophysics,ThermochimicaActa,等） 获奖：8项成果奖国家科技进步奖3项，二等奖2项，三等奖1项中科院进步奖5项，一等奖1项，二等奖4项奚同庚简历著作：12本（无机材料热物性学，高温涂层，热分析质谱法，固体热物理性质导论—理论与测量等）兼职：1985年起先后兼任中国科技大学、同济大学、华东理工大学、上海科技大学、香港中文大学兼职教授学会：上海市国家突出贡献专家协会副会长中国计量学会理事、热物理专业委员会副主任上海计量测试学会理事长ATPC国际热物性会议常务理事中科院能源委员会委员上海绝热工程和材料应用委员会主任其它：1988年被国家人事部授予“中青年突出贡献专家”称号1988年评为上海市劳动模范1989年国防科工委授予献身国防科技事业荣誉奖章1993～2003年上海市第八、第九届政协委员目录前言1.热的微观理论Ⅰ.固体导热机制概述2.导热载体类别3.导热系数理论曲线的实验验证7.与其他物性的关联性4.工程材料导热因子的理论分析Ⅱ.影响材料导热系数的物理、化学因素1.温度2.体积密度4.化学成分3.晶体结构5.气孔6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹目录Ⅲ.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.相变的导热研究5.微裂纹的导热研究2.电畴的导热研究3.晶态物质导热的非晶态行为4.晶界状态的导热研究Ⅳ.热功能材料热性能的优化和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 前言热物理性质输运性质：导热系数、导温系数、热膨胀、热辐射、粘度热力学性质：比热、热焓热物性学研究范畴1.热物性测试 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和技术研究2.热物性物理模型和机制研究3.热物性变化规律及影响因素研究4.宏观热物性与微观结构、显微组织、化学成分间关系研究5.热物性数据判读及数据库建立热物性在基础科学和工程技术中的作用航天技术—宏观热障IC和IT技术—微观热障能源技术和动力工程—热装置的热设计热过程的热分析热功能材料的删选及优化研究材料微观结构变化的一种新方法1.热的微观理论热的动力学理论——热是一种关联到分子、原子、电子等以及其组成部分的移动、转动和振动的能量2.导热载体类别(1).分子导热——分子碰撞(2).电子导热——电子碰撞(3).声子导热——声子碰撞(4).光子导热——光子碰撞（较高频率的电磁辐射能）介电体中：热量传导是由晶格振动（格波）实现的—波动说格波的能量传导又具有量子化特征—量子说格波传递能量的速度为该物质中的等效声速，因此把量子化的以等效声速传递的晶格振动称为“声子”因此、导热的机理必然与组成物质的微观粒子的运动与相互作用有关。Ⅰ.固体导热机制概述对于以上四种导热载体的导热系数都用一个通式表示：——导热载体的体积热容——导热载体在物质内传递速度——导热载体相互碰撞的平均自由程3.导热系数理论曲线的实验验证——随T变化规律对方程（1）各项与温度的关系，求出理论曲线实测的值曲线对比验证校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数的实测曲线校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数石墨和的SiC导热系数曲线玻璃等非晶体材料导热系数的理论曲线1—声子导热和光子导热的贡献2—声子导热的贡献（2）非晶态材料非晶态材料可看成是近程有序、远程无序的结构石英玻璃的实测导热系数曲线几种不同组分玻璃的实测导热系数曲线金属导热系数的理论曲线（3）金属材料金属导热系数的实测曲线4.工程材料的导热因子分析（1）典型工程材料导热因子构成有效导热系数的概念——导热、对流、热辐射三种传播方式对导热性能按权重的综合贡献导热、辐射和对流三种传热方式对有效导热系数的贡献可分解成若干导热因子，绝热材料有效导热系数可由下列导热因子组成：式中—固相导热因子，包括非金属晶态相导热因子（声子），玻璃相导热因子（声子），金属相导热因子（电子）—辐射导热因子，包括气相(气孔内)辐射导热因子，固相辐射导热因子（光子）—气相热导导热因子（分子）—气相对流导热因子（分子）热面冷面非金属固体导热(声子）气孔内气体导热和对流(分子）绝热材料热传递原理图热辐射（光子）微孔硅酸钙电镜照片气孔尺寸20～80um聚氨酯泡沫电镜照片气孔尺寸150～300um(2).导热因子随材料密度和温度变化规律1－绝热材料有效导热系数λe2－绝热材料气相导热因子的贡献3－绝热材料中的辐射导热因子贡献4－绝热材料对流导热因子贡献5－绝热材料中的固相导热因子贡献辐射导热因子因此，当温度从65℃538℃时贡献典型绝热材料在65℃和538℃时不同体积密度下各种导热因子对的贡献Ⅱ.影响材料导热系数的物理、化学因素1.温度（室温以上）(1).晶态无机非金属材料(2).非晶态无机非金属材料(3).多孔绝热材料和轻质砖(4).金属材料2.体积密度，(1).陶瓷材料：500℃以下，气孔率P<40％，可用下式计算有气孔材料导热系数(2).绝热材料为达到理论密度下的导热系数在每一温度下都存在对应于最小值的最佳密度范围,而且随着温度升高而增大典型绝热材料的在不同温度下随体积密度ρ变化的曲线3.晶体结构结构越复杂，值就越小(1).晶体与非晶体的影响(2).单晶与多晶的影响(3).单晶体的各向异性(4).结构相似条件下，多元氧化物的比单元氧化物更小 Al6Si2O13MgAl2O4Al2O3MgO结构复杂程度★★★★★★★TC(w/(mK)100oC6.114.930364.化学成分化学成分越复杂杂质含量越多形成固溶体相越多Au-Ag和MgO-NiO固溶体的导热系数Cr2O3+Al金属陶瓷，形成Cr2O3+Al2O3固溶体组成化合物元素的分子量越接近，晶格振动非简谐性化合物的氧化物名称气孔率（%）导热系数（W/(mK)）氧化物中金属元素的原子量金属元素与氧的原子量之差100℃600℃1000℃1200℃BeO4.7~9.920944.7919.316.459.016.99021946.8820.317.25MgO2.8~8.13411.016.705.8624.318.3103611.516.996.11Al2O34.5~7.3288.715.865.2726.9810.98030.39.136.155.53CaO8.7513.97.58----40.0824.1015.28.29----NiO25.79.24.193.14--58.7142.71012.55.694.48--ZrO212.3~141.671.801.972.0591.2275.2201.972.0932.302.39表中的结果表明：二元化合物的导热系数随着所组成的两种元素原子量差值的增大而减小。这种效应随着温度的升高而逐渐减弱，这可能是因为随着温度的升高，化合物中两种元素原子量不等而引起的结构的不对称性逐渐有所改善。气孔尺度和温度对气体导热和辐射导热的影响1.ZrO2；2.辐射导热，dp=0.5厘米;3.辐射导热，dp=0.1厘米；4.气体导热，dp=0.005厘米;5.气体导热，dp=0.01厘米;6.气体导热，dp>0.1厘米;7.辐射导热，dp=0.01厘米；8.辐射导热，dp=0.005厘米。5.气孔(1).气孔率(2).气孔形态（封闭与连通，层状气孔）(3).多孔尺寸：气孔直径，强度KCl晶体热阻与晶粒尺寸和温度的关系6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹(1).晶粒尺寸，(3).缺陷：类型、浓度(2).晶界尺寸与成分多晶TiO2热处理对导热系数的影响(4).微裂纹7.与其他物性的关联性(1).理论密度ρ，ρ小，大，则大(2).压缩系数x或弹性模量E:x或E大，大，则大(3).原子量A:A小，大，大(4).晶体结合能热膨胀系数熔点Tm结合能大热膨胀系数小熔点Tm高大Ⅲ.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.相变的导热研究ThermaldiffusivityanddielectricconstantofLiTaO3singlecrystal,versustemperature引自Ferroelectrics,1981.Vol.38,p869Thermaldiffusivity,thermalconductivity,anddielectricconstantofPbTiO3ceramic,versustemperature引自Ferroelectrics,1981.Vol.38,p869ThermaldiffusivityanddielectricconstantofdopedPZT(45/55)ceramic,versustemperature引自Ferroelectrics,1981.Vol.38,p869SpecificheatofdopedPZT(96.5/3.5)ceramic,versustemperatureThermalexpansivityofdopedPZT(96.5/3.5)ceramic,versustemperatureSpecificheatofdopedPZT(97.5/2.5)ceramic,versustemperature引自Ferroelectrics,1981.Vol.38,p8692.电畴的导热研究ThermaldiffusivityanddielectricconstantofdopedPbNb2O6引自HighTemp.-HighPress.1985.Vol.17,p3653.晶态物质导热的非晶态行为TemperaturedependenceofthethermalconductivityofSr0.52Ba0.48Nb2O6singlecrystal.●:Ka;○:KcThesolidcurvedenotesthethermalconductivityofSr0.45Ba0.55Nb2O6alonganunspecifieddirection[3]TemperaturedependenceofthespecificheatofSr0.52Ba0.48Nb2O6singlecrystal.引自J.Appl.Phys.71(1),1,1992TemperaturedependenceofthephononmeanfreepathofSr0.52Ba0.48Nb2O6singlecrystal.▲:la;●:lc;■:calculatedfromRef.[3].ThedashedcurvedenotesthephononmeanfreepathofamorphousSiO2calculatedfromsoundvelocity[4]andthermaldata[5]引自J.Appl.Phys.71(1),1,19924.晶界状态的导热研究Thermalconductivityofthemaincrystallinephase(KG)andgrainboundaryphases(KB)ofhot-pressedSi3N4materials引自Trans.J.Br.Ceram.Soc.,82,175,19835.微裂纹的导热研究热压Fe2TiO5在不同热处理条件下的导温系数曲线a)热压（未退火）b)1100oC退火4小时c)1100oC退火16小时d)1100oC退火32小时Ⅳ.热功能材料热性能的优化和设计谢谢各位！