第五章 材料的熱學(xué)性能

第五章材料的熱學(xué)性能

第一章材料的熱學(xué)性能

熱學(xué)性能包括：材料的熱容材料的熱膨脹材料的熱傳導(dǎo)材料的熱穩(wěn)定性材料及其制品都在一定的溫度環(huán)境下使用，在使用過程中，將對(duì)不同的溫度作出反映，表現(xiàn)出不同的熱物理性能，這些熱物理性能就稱為材料的熱學(xué)性能

5.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)晶格熱振動(dòng)：非簡諧運(yùn)動(dòng)晶格熱振動(dòng)是諸原子的集體振動(dòng)晶格熱振動(dòng)：固體材料是由構(gòu)成材料的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子）按一定晶格點(diǎn)陣排列堆積而成，一定溫度下，點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)總是圍繞其平衡位置作微小的三維振動(dòng)，這稱為晶格熱振動(dòng)。r斥力引力ro合力rF簡諧振動(dòng)F-r線性非簡諧振動(dòng)F-r非線性原子間力與原子間距關(guān)系(F-r)晶格熱振動(dòng)是諸質(zhì)點(diǎn)的集體振動(dòng)動(dòng)能=熱量各質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能總和就是該物體的熱量質(zhì)點(diǎn)的熱振動(dòng)晶格熱振動(dòng)=3維方向振動(dòng)格波：固體材料中各質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置做振動(dòng)，當(dāng)溫度↑，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率↑例如：一維晶格：相鄰指點(diǎn)間的振動(dòng)存在一定的位相差，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)可以看成以彈性波的形式在晶格中傳播，稱為格波。材料質(zhì)點(diǎn)間有很強(qiáng)的相互作用力（斥力、引力），一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)影響相鄰質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)。格波：又稱為振子晶體中的振子的振動(dòng)頻率不止一個(gè)，而是一個(gè)頻譜，振子是以不同頻率的格波疊加起來的合波，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。聲頻支格波：如果格波頻率低（聲頻范圍,<1.5×103Hz），質(zhì)點(diǎn)彼此之間的位相差不大，相鄰指點(diǎn)振動(dòng)方向相同，為“聲頻支格波”。光頻支格波：格波中頻率高的振動(dòng)波（紅外光區(qū)），質(zhì)點(diǎn)彼此之間的位相差很大，鄰近質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)幾乎相反，稱為“光頻支格波”。固體的熱容是原子振動(dòng)在宏觀性質(zhì)上的一個(gè)最直接的表現(xiàn)

5.2材料的熱容熱容：物體溫度升高1K所需要增加的能量。

（J/K）比熱容單位（質(zhì)量熱容）—J/K·g

摩爾熱容單位—J/K·mol

熱容單位：對(duì)于一定的材料，質(zhì)量不同熱容不同，溫度不同熱容也不同。一熱容的基本概念比定壓熱容：加熱條件在恒壓下進(jìn)行比定容熱容：加熱條件在恒容下進(jìn)行T2-T1

范圍愈大，精度愈差平均熱容:氣體材料：T↑，體積膨脹，外界做功，吸收Q↑

因此：固體或液體：T↑，體積變化小，因此：恒壓過程：二、固體的經(jīng)典熱容理論（1）元素的熱容定律——杜隆一珀替定律

恒壓下元素的原子熱容為化合物分子熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和。（2）化合物的熱容定律——柯普定律經(jīng)典熱容理論解釋兩個(gè)定律：每個(gè)原子有3個(gè)振動(dòng)自由度，每個(gè)振動(dòng)自由度能量=平均動(dòng)能（）+平均勢能()每個(gè)原子振動(dòng)能量=3kT1mol物質(zhì)的總能量=3NAkT

NA：阿佛加德羅常數(shù)

k：玻爾茨曼常數(shù)由上式可知，熱容是與溫度T無關(guān)的常數(shù)這就是杜隆一珀替定律。按摩爾熱容定義：

實(shí)際材料中：高溫時(shí)：杜隆—珀替定律在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很吻合。低溫時(shí)：CV的實(shí)驗(yàn)值并不是一個(gè)恒量.

與T3成比例，漸趨于零。對(duì)于雙原子的固態(tài)化合物的摩爾熱容：其余依此類推。經(jīng)典熱容理論只是用于特定的溫度范圍T/K

Cv0

常數(shù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)以彈性波形式在晶體中傳播——聲頻支格波普朗克提出格波能量的量子化理論——具有不連續(xù)性振子受熱激發(fā)所占的能級(jí)是分立的，它的能級(jí)在0時(shí)為1/2hv——零點(diǎn)能依次的能級(jí)是每隔hv升高一級(jí)，一般忽略零點(diǎn)能三、固體熱容的量子理論1.振子能量量子化通常

nEn=nhv+1/2hv

210h：普朗克常數(shù)v:頻率聲子：質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)能量是量子化的，能級(jí)間隔hv,hv是這種量子化彈性波的最小單位，稱為量子或聲子。聲子能量——Hv值大小一定溫度下,一定頻率的振子獲得能量后占據(jù)n能級(jí)的幾率：

2.振子在不同能級(jí)的分布服從波爾茲曼能量分布規(guī)律3.溫度Tk，振動(dòng)頻率v，振子的平均能量一個(gè)振動(dòng)自由度方向：

高溫時(shí):即：高溫區(qū)：每個(gè)振子單向振動(dòng)的總能量與經(jīng)典理論一致

1mol物質(zhì)的總能量=3NAkT所以：

——與經(jīng)典杜?。晏娑上喾绻粌H僅局限于高溫區(qū)整個(gè)溫度范圍內(nèi)，3N個(gè)振動(dòng)模，總的能量這就是按照量子理論求得的熱容表達(dá)式。但要計(jì)算CV

必須知道每個(gè)振子的頻譜v——非常困難。因此：（一）愛因斯坦模型（二）德拜模型晶體總的熱容：模型要點(diǎn)：（1）認(rèn)為晶體中所有原子都以相同的頻率振動(dòng)，設(shè)為v0（2）晶格振動(dòng)能量是量子化的體系規(guī)定：N個(gè)原子組成，共有3N個(gè)頻率為v0的振動(dòng)(一).愛因斯坦模型熱容：高溫區(qū)：選取合適的

E值，

T>

E時(shí)，理論計(jì)算的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合大多數(shù)固體：

E=100K～300K

也有可能低于和高于這個(gè)范圍的固體

愛因斯坦特征溫度：低溫區(qū)域，CV值按指數(shù)規(guī)律隨溫度T而變化，而不是從實(shí)驗(yàn)中得出的按T3變化的規(guī)律。忽略了各格波的頻率差別，其假設(shè)過于簡化。低溫區(qū)：金剛石：

E=1320K理論值（線）與實(shí)驗(yàn)值（點(diǎn)）比較低溫范圍內(nèi)，愛因斯坦理論值下降比較陡模型要點(diǎn)：（1）考慮了晶體中原子的相互作用，每個(gè)原子都有其固有頻率。（2）認(rèn)為晶體中只存在三支彈性波，二支橫波和一支縱波，體系規(guī)定：

N個(gè)原子組成，共有3N個(gè)晶格振動(dòng)模。（二）．德拜比熱模型晶體熱容：g(v)——振動(dòng)頻率分布函數(shù)g(v)——振動(dòng)頻率分布函數(shù)其中：V——晶體體積(球形)Cl

——橫波熱容Ct——縱波熱容德拜特征溫度:令德拜比熱函數(shù):晶體總的熱容

:高溫區(qū)：——杜隆—珀替定律低溫區(qū)：——與T3成正比，德拜定律德拜定律表明：當(dāng)T→0時(shí)，CV與T3成正比并趨于0，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合，溫度越低，近似越好。

德拜理論與實(shí)驗(yàn)比較（實(shí)驗(yàn)點(diǎn)是鐿的測量值線是德拜理論計(jì)算值）四熱容隨溫度變化的本質(zhì)T

Cv

D溫度↑增加的方式T↑

晶格振動(dòng)↑

頻率為v格波（振子）振子的振幅的增加振子的能量增加以聲子為單位增加振子能量

晶格熱量傳遞形成表現(xiàn)

n210根據(jù)波爾茲曼能量分布，一定T下，一定頻率的振子占據(jù)n能級(jí)的幾率：同樣的溫度，低頻率的振子占據(jù)n能級(jí)的幾率大。

hv：量子化彈性波的最小單位——聲子。

格波能量是量子化的，能級(jí)是分立的hvnE)21(+=T↑,一定頻率v的振子占據(jù)高能級(jí)的幾率增加，低頻率的振子需要激發(fā)到高能及需要的hv值比較小，先激發(fā)占據(jù)高能級(jí)。T再↑，高頻率的振子hv值也得到滿足，激發(fā)到高能級(jí)，激發(fā)聲子數(shù)↑顯著，T→0K，kT<<hv，吸收的能量很小，最低頻率的振子也不能被激發(fā)到更高的能級(jí)，沒有聲子被激發(fā)。hvnn+1T↑3.當(dāng)T↑，kT>>hv，最大頻率的振子也被激發(fā)到高能級(jí)，kT=hvmax，即，德拜特征溫度：

所有振子占據(jù)高能級(jí)的幾率為1，T再↑，不同頻率的振子獲得能量占據(jù)更高能級(jí)所激發(fā)的聲子數(shù)相同。hvnn+1v1v2vmaxhvnE)21(+=T

Cv

D熱容——溫度增加1k激發(fā)聲子的能量T=0K,C=0T<

DC∝T3T>>

DC∝3R不同材料θD也不同。石墨θD=1973K

BeO

的θD=1173KAl2O3的θD=923K德拜溫度D取決于材料的原子鍵力和原子質(zhì)量這是因?yàn)椋烘I力越大，質(zhì)量越輕，D越大。這是因?yàn)椋嘿|(zhì)量越輕，D越大，振子的頻率越高，德拜溫度變高。五影響熱容的因素1溫度影響T

Cv

DT=0K,C=0T<

DC∝T3T>>

DC∝3R2相變相變時(shí)，由于熱量的不連續(xù)變化，使熱熔出現(xiàn)突變3德拜溫度約為熱容的0.2-0.5倍4高溫下，化合物的摩爾熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和。5多相復(fù)合材料的熱容六.熱容的測量混合法T曲管溫度計(jì)；P攪拌器；J套筒；C量熱器桶；G保溫用玻璃棉m0

水的質(zhì)量C0

水的比熱T3

混合后終溫T2

樣品初溫T1

水初溫電熱法七熱分析技術(shù)熱分析是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)（包括物質(zhì)的質(zhì)量、溫度、熱焓、尺寸、機(jī)械、聲學(xué)、電學(xué)等）隨溫度變化的一類技術(shù)。差熱分析熱重分析差示掃描量熱分析熱膨脹分析常用的有以下幾種物理性質(zhì)熱分析技術(shù)名稱縮寫質(zhì)量熱重法TG等壓質(zhì)量變化測定逸出氣檢測逸出氣分析EGD放射熱分析EGA熱微粒分析溫度升溫曲線測定差熱分析DTA熱量差示掃描量熱DSC尺寸熱膨脹法力學(xué)特性熱機(jī)械分析TMA動(dòng)態(tài)熱機(jī)械法DMA差熱分析（TDA:differentialthermalanalysis)：測量試樣與參比物之間溫差隨溫度或時(shí)間的變化關(guān)系。示差掃描量熱法（DSC：differentialscanningcalarmetry)：測量在加熱或冷卻過程中，在試樣和標(biāo)樣的溫度差保持為零時(shí)，所要補(bǔ)充的熱量與溫度或時(shí)間的關(guān)系。熱重法（TG:thermogrivimetry)：測量試樣的質(zhì)量隨時(shí)間或溫度的變化關(guān)系。DSC

TG/DTA儀器原理圖

1－測量系統(tǒng)；2－加熱爐；

3－溫度程序控制器；4－記錄儀差熱分析DTA應(yīng)用：熔化及結(jié)晶轉(zhuǎn)變、氧化還原反應(yīng)、裂解反應(yīng)等的分析研究。熱重法TG應(yīng)用：樣品的失水、分解等反應(yīng)過程。CaC2O4.2H2O=CaC2O4+2H2OCaC2O4=CaCO3+COCaCO3=CaO+CO2

草酸鈣加熱過程一、熱膨脹系數(shù)（Thermalexpansioncoefficient）熱膨脹：物體體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象5.3材料的熱膨脹αl——線膨脹系數(shù)材料：αV——體膨脹系數(shù)各向異性的材料：各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假如分別為αa

αb

αc,

av=aa+ab+ac各項(xiàng)同性的材料：av=3a熱膨脹實(shí)質(zhì)：振動(dòng)原子的平均位置隨溫度升高而改變，導(dǎo)致原子平均間距增大?？蓮囊韵聝煞矫娼忉專?/p>

1質(zhì)點(diǎn)間力—原子間距關(guān)系

2質(zhì)點(diǎn)勢能—質(zhì)點(diǎn)間距關(guān)系二、熱膨脹機(jī)理原子間力—原子間距關(guān)系——非線性的

1質(zhì)點(diǎn)間力—質(zhì)點(diǎn)間距關(guān)系質(zhì)點(diǎn)間力—質(zhì)點(diǎn)間距關(guān)系是非線性的這是由于：晶格振動(dòng)不是簡諧振動(dòng)而是非簡諧的r斥力引力ro合力rF簡諧振動(dòng)F-r線性非簡諧振動(dòng)F-r非線性T↑,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅度↑質(zhì)點(diǎn)在兩側(cè)受力不對(duì)稱情況↑距離縮小時(shí)斥力變大的程度比距離變大時(shí)引力變大的程度要大，距離增加更容易，因此：T↑，質(zhì)點(diǎn)距離↑體積↑

2原子勢能—原子間距關(guān)系由于質(zhì)點(diǎn)間作用力是非簡諧的，使得質(zhì)點(diǎn)位能呈非對(duì)稱拋物線。

r0是能量的最低處，T↑,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅度↑質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能量↑質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置r0出現(xiàn)兩個(gè)偏離間距，最終離開平衡位置的平均距離增加。因此：T↑，質(zhì)點(diǎn)距離↑體積↑三熱膨脹與其他性能的關(guān)系1熱膨脹與熱容熱容：溫度升高1K時(shí)，所增加的能量，熱膨脹：材料受熱，質(zhì)點(diǎn)能量增加，引起體積增加。

T↑能量↑體積↑CaT<θD,

C∝T3av∝T3T>θD,

高溫下熱缺陷大量生成，故α增大較顯著Al2O3

的比熱容、線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系2熱膨脹與熔點(diǎn)結(jié)合能越大，則熔點(diǎn)越高，而α越小。Tm——熔點(diǎn)VTm——熔點(diǎn)時(shí)的體積V0——0K時(shí)的體積格留乃申方程反映了這種相反的變化趨勢熱膨脹系數(shù)大?。汗矁r(jià)晶體<原子晶體<離子晶體<金屬<分子晶體1晶體結(jié)構(gòu)堆積緊密，α大。多晶玻璃>無定形玻璃2空曠結(jié)構(gòu)的材料，α小。溫度增加，熱膨脹是首先膨脹在空曠間3相變伴隨的點(diǎn)陣重構(gòu)引起附加的⊿L，

α∝⊿L/⊿T4相組成、合金成分：粗略符合“加和”規(guī)則。

α＝∑αiΨi四影響熱膨脹的因素五熱膨脹系數(shù)的測定靜態(tài)熱機(jī)械分析法（TMA）程序控制下和非振動(dòng)載荷作用下，測量式樣的形變與溫度的關(guān)系T△L熱膨脹法確定鋼相變的臨界點(diǎn)六、熱膨脹的應(yīng)用組織轉(zhuǎn)變附加的體積效應(yīng)使膨脹曲線產(chǎn)生拐折。用作控制開關(guān)的雙金屬片鋼銅T↑5.4材料的熱傳導(dǎo)一、固體材料熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律熱傳導(dǎo)：當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時(shí)，熱量會(huì)從熱端自動(dòng)地傳向冷端，這個(gè)現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)?！鱏高溫T1低溫T2x△S⊥x軸溫度梯度：△t時(shí)間內(nèi)通過△S截面上的熱量為△Q

傅里葉定律：

物理意義：指單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，單位為J/(m2·s·k)或W/(m·K)。λ——導(dǎo)熱系數(shù)氣體（分子構(gòu)成）分子可以在空間自由運(yùn)動(dòng)金屬材料（正離子和自由電子構(gòu)成）

自由電子可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)二、固體材料熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理非金屬材料離子晶體（離子構(gòu)成）共價(jià)晶體（原子構(gòu)成）

自由電子很少這些質(zhì)點(diǎn)可以在平衡位置上振動(dòng)，形成格波，格波可以在整個(gè)材料中傳播。

當(dāng)存在溫度差時(shí)，高溫端，質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能增加，和鄰近溫度低的質(zhì)點(diǎn)碰撞程度增加，熱量開始傳遞給溫度低的質(zhì)點(diǎn)，依次結(jié)果，熱量就從高溫端傳到低溫端。低溫高溫氣體材料導(dǎo)熱——分子間直接碰撞，（導(dǎo)熱性差）純金屬材料導(dǎo)熱——主要是自由電子間碰撞，無機(jī)非金屬材料導(dǎo)熱——晶格振動(dòng)（格波），

格波分為聲頻支和光頻支。

聲子導(dǎo)熱，光子導(dǎo)熱固體材料中熱量是由自由電子、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、熱輻射所傳遞的熱傳導(dǎo)機(jī)制相應(yīng)的分為三種(二)聲子熱導(dǎo)(三)光子熱導(dǎo)(一)電子熱導(dǎo)(一)電子熱導(dǎo)

對(duì)于純金屬，電子是自由的，導(dǎo)熱主要靠自由電子，合金導(dǎo)熱要考慮聲子和電子導(dǎo)熱的共同貢獻(xiàn)。將金屬中大量的自由電子看作是自由電子氣，用理想氣體的熱導(dǎo)率公式描述：

λ：熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）

C:單位體積氣體的熱容

:分子運(yùn)動(dòng)的平均速度:分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程（兩次碰撞間的距離）自由電子的熱導(dǎo)率公式：

n：單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)

k：波爾茲曼常數(shù)m：電子質(zhì)量τ：自由電子弛豫時(shí)間銅及合金的性能材料組成熱膨脹系數(shù)×10-6/℃熱導(dǎo)率W/(m·K)純銅Cu17.0388-399黃銅Cu-Zn18.1-19.829-60錫青銅Cu-Sn17.5-19.112-20鋁青銅Cu-Al17.1-18.260-100硅青銅Cu-Si16.1-18.537-104錳青銅Cu-Mn20.4108白銅Cu-Ni17130電子要比聲子的導(dǎo)熱率大(二)聲子熱導(dǎo)聲子：質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)能量是量子化的，聲頻波的間隔能級(jí)hv,hv是這種量子化彈性波的最小單位，稱為量子或聲子。聲子能量:

hv值大小聲子數(shù)：忽略零點(diǎn)能1/2hv，無機(jī)非金屬特別是離子或共價(jià)鍵晶體，自由電子很少。主要通過質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)形成格波，格波在材料中傳播，來導(dǎo)熱。溫度平衡時(shí)：同樣多的振動(dòng)模式同樣多的振動(dòng)振幅同樣多的聲子數(shù)T1低:較少的振動(dòng)模式較小的振動(dòng)振幅較少的聲子被激發(fā)較少的聲子數(shù)T高:較多的振動(dòng)模式較大的振動(dòng)振幅較多的聲子被激發(fā)較多的聲子數(shù)低溫高溫聲子濃度梯度（擴(kuò)散）熱阻：聲子擴(kuò)散過程中的各種散射從晶格格波的聲子理論可知：熱傳導(dǎo)過程是聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)的擴(kuò)散過程。如果聲子不發(fā)生碰撞，聲子的擴(kuò)散速度就是熱量的傳播速度。但事實(shí)上，聲子在擴(kuò)散過程中肯定要發(fā)生碰撞。從而產(chǎn)生熱阻。影響熱傳導(dǎo)性質(zhì)的聲子散射主要有四種機(jī)構(gòu)：

兩聲子發(fā)生碰撞，形成新聲子的動(dòng)量方向和原來兩個(gè)聲子矢量和方向相一致，熱流方向不被破壞，此時(shí)無多大的熱阻。（1）聲子的碰撞過程聲子1聲子2新聲子碰撞后，發(fā)生方向反轉(zhuǎn)，從而破壞了熱流方向產(chǎn)生較大的熱阻。翻轉(zhuǎn)過程（聲子碰撞）聲子碰撞的幾率：溫度越高，聲子間的碰撞頻率越高，聲子的平均自由程越短。聲子1聲子2新聲子熱振動(dòng)的非線性和格波間的耦合作用會(huì)導(dǎo)致聲子碰撞幾率增大，自由程l減小。聲子間碰撞引起的散射是晶體熱阻的主要來源。熱阻增加，導(dǎo)熱性變差。聲子的熱導(dǎo)率公式：λph：熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）

C:單位體積內(nèi)聲子比熱

:分子運(yùn)動(dòng)的平均速度:聲子運(yùn)動(dòng)的平均自由程（兩次碰撞間的距離）(三)光子熱導(dǎo)振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)固體中的分子、原子和電子電磁波（光子）光子在介質(zhì)中的傳播過程------光子的導(dǎo)熱過程。電磁波中具有較強(qiáng)熱效應(yīng)的在可見光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱為熱射線。熱射線的傳遞過程------熱輻射熱輻射傳遞能量熱輻射在固體中的傳播過程和光在介質(zhì)中的傳播過程類似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。固體中的輻射傳熱過程的定性解釋：低溫端：輻射量小吸收量大

輻射能量熱穩(wěn)定狀態(tài)

T3高溫端：輻射量大吸收量小

吸收能量輻射吸收輻射吸收輻射源T1材料T2σ——斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)N——折射率vc——光速熱輻射能：低溫時(shí)：熱輻射能和振動(dòng)能相比很小，可忽略高溫時(shí)：>1500℃，熱輻射能很大，不能忽略容積熱容光子導(dǎo)熱率：

——輻射線在介質(zhì)中的傳播速度

——輻射線光子的平均自由程溫度不太高時(shí)<1500K，固體中的導(dǎo)熱主要靠晶格振動(dòng)的格波（聲子）和自由電子的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)：

λph:聲子熱導(dǎo)率，

λ

e：電子的熱導(dǎo)率金屬材料：無機(jī)非金屬材料：自由電子很少電子要比聲子的導(dǎo)熱率大材料組成熱導(dǎo)率W/(m·K)純銅硅青銅錳青銅白銅氧化鋁氧化硅CuCu-SiCu-MnCu-NiAl2O3SiO2388-39937-104108130341.4電子要比聲子的導(dǎo)熱率大三、影響無機(jī)非金屬材料熱傳導(dǎo)的因素1溫度的影響T

C

DT=0K,C=0T<

DC∝T3T>>

DC≈3R(1)T對(duì)C的影響熱導(dǎo)率可以看作常數(shù)(2)T對(duì)平均自由程l

的影響平均自由程l

最大可達(dá)晶粒尺寸——l上限最小為為晶格間距——

l下限

T↑，聲子碰撞幾率↑，l↓，熱阻↑，λ↓T↓

，聲子碰撞幾率↓，l↑，熱阻↓，λ↑

(3)T對(duì)λ的影響

T=0K，C=0,

λ=0↓T↑

，C∝T3，l是上限值，λ∝T3，λ↑T再↑，T<

D,C∝T3，l隨T↑而↓，λ升高速度↓T=

D,

C≈3R,l隨T↑而↓

,λ

↓T>

D，l是下限值↓，λ趨于定值

T再↑↑，光子導(dǎo)熱，λ

↑熱輻射中溫(40K-1500K)高溫>1500K低溫0λT/K2顯微結(jié)構(gòu)的影響

（1）結(jié)晶構(gòu)造的影響

晶體結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，晶格振動(dòng)的非諧性程度愈大，格波受到的散射愈大，因此，聲子平均自由程較小，熱導(dǎo)率較低，（2）各向異性晶體的熱導(dǎo)率非等軸晶系的晶體熱導(dǎo)率呈各向異性。溫度升高，晶體結(jié)構(gòu)總是趨于更好的對(duì)稱。因此，不同方向的λ差異變小。單晶：指整個(gè)晶體主要由原子(或離子)的一種規(guī)則排列方式所貫穿。多晶：是由大量的微小單晶體（晶粒）隨機(jī)堆積成的整塊材料，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。（3）多晶體與單晶體的熱導(dǎo)率

多晶單晶多晶單晶由于多晶體中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、雜質(zhì)也多，聲子更易受到散射，它的l小得多，因此l

小，故對(duì)于同一種物質(zhì)，多晶體的熱導(dǎo)率總是比單晶小.（4）非晶體的熱導(dǎo)率

非晶：無規(guī)則的外形和固定的熔點(diǎn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不存在長程有序，但在若干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在結(jié)構(gòu)上的有序排列——短程有序,無晶界。——玻璃非晶氧化鈹（Be2O3）晶體Be2O3非晶玻璃晶體結(jié)構(gòu)閱兵方隊(duì)原子排列非晶體鬧市人群非晶體材料特有的長呈無序結(jié)構(gòu)，聲子平均自由程l近似為常數(shù)，幾個(gè)晶胞間距的量級(jí)。T

C

D電容C的變化<600K600～900K僅僅聲子導(dǎo)熱聲子導(dǎo)熱考慮光子導(dǎo)熱貢獻(xiàn)中低溫（400～600K）以下，光子導(dǎo)熱可忽略不計(jì)。聲子導(dǎo)熱隨溫度的變化由聲子熱容隨溫度變化規(guī)律決定。高溫度（600～900K），隨溫度升高，聲子熱容趨于一常數(shù)，故聲子導(dǎo)熱系數(shù)曲線出現(xiàn)一條近平行于橫坐標(biāo)的直線。若考慮到此時(shí)光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)，熱導(dǎo)率增加。晶體與非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線的差別：①非晶體的導(dǎo)熱系數(shù)（不考慮光子導(dǎo)熱）在所有溫度下都比晶體的小。因?yàn)榉蔷У钠骄杂沙蘬小。②在高溫下，二者比較接近。平均自由程l都接近晶格間距。③

非晶體沒有導(dǎo)熱系數(shù)峰值點(diǎn)。3化學(xué)組成

不同組成的晶體，構(gòu)成晶體的質(zhì)點(diǎn)大小、性質(zhì)不同，晶格振動(dòng)狀態(tài)不同，傳熱能力也會(huì)不同。

（1）物質(zhì)組分原子量越小，形成格波的振動(dòng)頻率高，德拜溫度θD越大，則熱導(dǎo)率λ愈大。(3)晶體中存在的各種缺陷和雜質(zhì)越多，聲子的散射程度增加，平均自由程l越小，熱導(dǎo)率λ變小。(2)物質(zhì)組分原子量相差越大，形成格波的振動(dòng)頻率相差越大，晶格的非簡諧振動(dòng)越大，平均自由程l越小，則熱導(dǎo)率λ愈小。

(4)復(fù)相材料的熱導(dǎo)率復(fù)合材料：由兩相或多相材料復(fù)合而成的具有新的功能的材料。復(fù)合材料的聯(lián)通方式：0-3，1-3，2-2，2-3和3-3型等。把對(duì)功能效應(yīng)起主要作用的分散相的維數(shù)放在前面，把基體的維數(shù)放在后面。0-32-21-3

復(fù)相材料的熱導(dǎo)率：λc——基體相導(dǎo)熱率

λ

d——分散相導(dǎo)熱率ψd——分散相體積分?jǐn)?shù)5.5材料的熱電性能材料的兩端存在電位差——產(chǎn)生電流，溫度差——產(chǎn)生熱流。從電子論的觀點(diǎn)看，在金屬和半導(dǎo)體中，無論是電流還是熱流，都與電子有關(guān)。故溫度差，電位差，電流，熱流之間存在交叉聯(lián)系，這就構(gòu)成了熱電效應(yīng)。一帕耳帖效應(yīng)二湯姆遜效應(yīng)三塞貝克效應(yīng)三個(gè)基本熱電效應(yīng)一帕耳帖效應(yīng)將銅、鉍兩根金屬絲的端點(diǎn)互相連接（A,B處）成為一閉合回路。將兩根鉍絲分別接到直流電源的正、負(fù)極上，通電后發(fā)現(xiàn)A接頭變冷，吸熱效應(yīng)；B接頭變熱，發(fā)生了放熱效應(yīng)，這個(gè)現(xiàn)象稱為帕爾帖效應(yīng)1定義：2分析原因：不同的金屬，電子狀態(tài)不同，銅鉍接觸時(shí)，電子從1→2，1中電子減少，2中電子增多。1電位為正，2電位為負(fù)。這樣不同金屬的接觸面處產(chǎn)生的電勢稱接觸電勢差（V12）++++++++++++1↓e2V12A處：通電后，外加電場使電子移動(dòng)形成電子電流,接觸電勢差V12將阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，電子動(dòng)能減小，減速的電子與金屬離子碰撞，從金屬原子那里獲得能量，金屬離子能量減小，從而使該處溫度降低，變冷，須從外界吸熱。eeV12V12B處：通電后，接觸電勢差V12將加速電子的運(yùn)動(dòng)，電子動(dòng)能增加，加速的電子與金屬離子碰撞，把獲得的動(dòng)能交給金屬原子，金屬離子能量增加，從而B處溫度增加，變熱，須放熱。eeV12V12帕爾帖效應(yīng)的應(yīng)用——制冷

熱電效應(yīng)的大小主要取決于兩種材料的熱電勢。純金屬材料的導(dǎo)電性好，導(dǎo)熱性也好。用兩種金屬材料組成回路，其熱電勢小，熱電效應(yīng)很弱，制冷效果不明顯(制冷效率不到1%)。半導(dǎo)體材料具有較高的熱電勢，可以成功地用來做成小型熱電制冷器。圖示出N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶制冷元件。用銅板和銅導(dǎo)線將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接成一個(gè)回路，銅板和銅導(dǎo)線只起導(dǎo)電的作用?；芈分薪油娏鲿r(shí)，一個(gè)接點(diǎn)變熱，一個(gè)接點(diǎn)變冷。如果改變電流方向，則兩個(gè)接點(diǎn)處的冷熱作用互易，即：原來的熱接點(diǎn)變成冷接點(diǎn)，原來的冷接點(diǎn)變成熱接點(diǎn)。熱電制冷元件

熱電制冷器它不需要一定的工質(zhì)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件。熱電制冷的效率低，半導(dǎo)體材料的價(jià)格又很高，而且，由于必須使用直流電源，變壓和整流裝置往往不可避免，從而增加了電堆以外的附加體積。所以熱電制冷不宜大規(guī)模和大冷量便用。但由于它的靈活性強(qiáng)，簡單方便，使用可靠，冷熱切換容易，非常適宜于微型制冷領(lǐng)域或有特殊要求的用冷場所。例如，為空間飛行器上的科學(xué)儀器、電子儀器、醫(yī)療器械中需要冷卻的部位提供冷源等。二