1、主要用于衡量材料的絕熱性能和導(dǎo)熱性能，在熱能工程、制冷技術(shù)、工業(yè)爐設(shè)計(jì)、工件加熱和冷卻、房屋采暖與空調(diào)、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等一系列技術(shù)領(lǐng)域中，有著重要的應(yīng)用意義。熱傳導(dǎo)在實(shí)際工作中有哪些應(yīng)用？熱傳導(dǎo)在實(shí)際工作中有哪些應(yīng)用？1.熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)：當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時(shí)，熱量自動(dòng)地從熱端傳向冷端的現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。2.穩(wěn)定傳熱狀態(tài)傳熱公式穩(wěn)定傳熱狀態(tài)傳熱公式穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱：傳熱過(guò)程中，材料在x方向上各處的溫度T是恒定的，與時(shí)間無(wú)關(guān),Q/t是常數(shù)。一、固體材料熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律一、固體材料熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律tSdxdTQ 假如固體材料垂直于x軸方向的截面積為S，材料沿x軸方向的溫度變化率為dT/dx，

2、在t時(shí)間內(nèi)沿x軸正方向傳過(guò)S截面上的熱量為Q，對(duì)于各向同性的物質(zhì)，傳熱公式為： 式中的常數(shù)稱為熱導(dǎo)率(或?qū)嵯禂?shù))， dT/dx稱作x方向上的溫度梯度：每單位長(zhǎng)度的溫度變化。傅里葉定律，只適用于傅里葉定律，只適用于穩(wěn)定傳熱的條件穩(wěn)定傳熱的條件穩(wěn)定傳熱公式：穩(wěn)定傳熱公式： 溫度梯度是個(gè)矢量，其方向沿?zé)崃髦赶驕囟壬叩姆较颍?fù)號(hào)表示沿?zé)崃魇侵赶驕囟冉档偷姆较?。即?dT/dx0時(shí),Q0，熱量沿x軸正方向傳遞; dT/dx0時(shí)，Q0，熱量沿x軸負(fù)方向傳遞。 導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是指單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的熱量，所以它的單位為W(m2K)或J(m2sK)。不穩(wěn)定傳熱過(guò)程不穩(wěn)定傳熱過(guò)程

3、：即物體內(nèi)各處的溫度隨時(shí)間而變化。不穩(wěn)定傳熱的溫度公式：不穩(wěn)定傳熱的溫度公式： 例如一個(gè)與外界無(wú)熱交換，本身存在溫度梯度的物體，隨著時(shí)間的推移溫度梯度趨于零的過(guò)程，就存在熱端溫度不斷降低和冷端溫度不斷升高，最終達(dá)到一致的平衡溫度。該物體內(nèi)單位面積上溫度隨時(shí)間的變化率為22xTctTp式中：為密度，cP為恒壓熱容。T1小 具有: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大具有: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)聲子的熱傳導(dǎo)平衡時(shí)：同樣多的振動(dòng)模式振同樣多的振動(dòng)振幅同樣多的聲子被激發(fā)同樣多的聲子數(shù)dT/dx(溫度梯度）Q= -dT/dx（能流密度）J/s.cm

4、2單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)單位面積的熱能.-晶體的熱導(dǎo)系數(shù)J/s.cm作用于產(chǎn)生晶體光子,電子,聲子金屬中金屬中：金屬中有大量的自由電子，電子的質(zhì)量很輕，能迅速地實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。因此，金屬一般都具有較大的熱導(dǎo)率。雖然晶格振動(dòng)對(duì)金屬導(dǎo)熱也有貢獻(xiàn)，只是很次要的。 固體材料的熱傳導(dǎo)主要是由晶格振動(dòng)的格波（聲子）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。高溫時(shí)還可能有光子傳熱。金屬材料中主要是電子熱傳導(dǎo)。非金屬晶體中非金屬晶體中：在非金屬晶體以晶格振動(dòng)為主要的導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)，晶格振動(dòng)的格波又分為聲頻支河光頻支。由于質(zhì)點(diǎn)間存在相互作用力，振動(dòng)較弱的質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng)較強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)的影響下，振動(dòng)加劇，熱運(yùn)動(dòng)能量增加。 熱量就能轉(zhuǎn)移和傳遞，使整個(gè)晶體中熱量從溫度較高

5、處傳向溫度較低處，產(chǎn)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。 從微觀導(dǎo)熱過(guò)程中，可以看到熱量是由晶格振動(dòng)的格波來(lái)傳遞的。格波可分為聲頻支和光頻支兩類(lèi)，下面我們就這兩類(lèi)格波的影響分別進(jìn)行討論。 晶格振動(dòng)中的能量是量子化的。聲頻波的能量量子稱為聲子。它所具有能量仍然應(yīng)該是h ，經(jīng)常用 來(lái)表示，=2是格波的角頻率。 從晶格格波的聲子理論可知，熱傳導(dǎo)過(guò)程-聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的擴(kuò)散過(guò)程。 用氣體中熱傳導(dǎo)的概念來(lái)處理聲子熱傳導(dǎo)的問(wèn)題。 根據(jù)氣體熱傳導(dǎo)的經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)，氣體熱傳導(dǎo)是氣體分子碰撞的結(jié)果，晶體熱傳導(dǎo)是聲子碰撞的結(jié)果。它們的熱導(dǎo)率也就應(yīng)該具有相似的數(shù)學(xué)表達(dá)式。氣體的熱傳導(dǎo)公式為 將上述結(jié)果移植到晶體材料中，可導(dǎo)出

6、聲子碰撞傳熱的同樣公式。lvc31C：?jiǎn)挝惑w積氣體分子的比熱-單位體積中聲子的比熱； v ：氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度-聲子的運(yùn)動(dòng)速度； l：氣體分子的平均自由程-聲子的平均自由程。平均自由程：聲子兩次碰撞走過(guò)的路程稱為聲子自由程聲子兩次碰撞走過(guò)的路程稱為聲子自由程l l。C在高溫時(shí)，接近常數(shù)，在低溫時(shí)它隨T 3變化；聲速v 為一常數(shù)。主要討論影響聲子的自由程 l 的因素。dvvvlvc)()(31l聲子間碰撞過(guò)程 聲子間碰撞使聲子的平均自由程減?。涸诤芏嗑w中晶格熱振動(dòng)并是非線性的，晶格質(zhì)點(diǎn)間存在耦合作用，聲子間會(huì)產(chǎn)生碰撞，使聲子的平均自由程減小。 格波間相互作用愈強(qiáng)，也就是聲子間碰撞幾率愈大，相應(yīng)

7、的平均自由程愈小，熱導(dǎo)率也就愈低。聲子間碰撞引起的散射的晶格是熱阻的主要來(lái)源聲子間碰撞引起的散射的晶格是熱阻的主要來(lái)源。(a) (a) K Kn n =0=0形成新聲子的動(dòng)量方向和原來(lái)兩個(gè)聲子的方向相一致，此時(shí)無(wú)多大的熱阻。 -正規(guī)過(guò)程 q q1 1 + + q q2 2 = = q q 3 3+ + K Kn n或或 q q1 1 + + q q2 2 K Kn n = = q q 3 3聲子的碰撞過(guò)程聲子的碰撞過(guò)程q1q2q3(b) q(b) q1 1 ，q q2 2相當(dāng)大時(shí)，相當(dāng)大時(shí)， K Kn n 0 0，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(guò)程（聲子碰撞） K

8、 Kn nq q1 1 + + q q2 2 q q2 2q q1 1 q q 3聲子碰撞的幾率聲子碰撞的幾率： exp(-D/2T) 即溫度越高，聲子間的碰撞頻率越高，則聲子的平均自由程越短。 晶體中的各種缺陷、雜質(zhì)以及晶粒界面都會(huì)引起格波的散射，也等效于聲子平均自由程的減小，從而降低熱導(dǎo)率。散射強(qiáng)弱與點(diǎn)缺陷的大小和聲子的波長(zhǎng)相對(duì)大小有關(guān)。 q qT T 低溫時(shí)，為長(zhǎng)波，波長(zhǎng)比點(diǎn)缺陷大的多，估計(jì) ： 波長(zhǎng) D a/T，波長(zhǎng)長(zhǎng)的格波容易繞過(guò)缺陷，使自由程加大,所以頻率小時(shí)，波長(zhǎng)長(zhǎng)，平均自由程l大，散射小，因之熱導(dǎo)率大。在低溫時(shí)，最長(zhǎng)的平均自由程長(zhǎng)達(dá)晶粒的尺度。高溫時(shí)，聲子的波長(zhǎng)和點(diǎn)缺陷大小相近

9、似，點(diǎn)缺陷引起的熱阻與溫度無(wú)關(guān)。平均自由程為一常數(shù)。在高溫下，最小的平均自由程等于幾個(gè)晶格間距.l點(diǎn)缺陷的散射點(diǎn)缺陷的散射不同頻率的格波，波長(zhǎng)不同不同頻率的格波，波長(zhǎng)不同 ： 在位錯(cuò)附近有應(yīng)力場(chǎng)存在，引起聲子的散射，其散射與T2成正比。平均自由程與T2成反比。l晶界散射晶界散射 聲子的平均自由程隨溫度降低而增長(zhǎng)，增大到 晶粒大小時(shí)為止，即為一常數(shù)。晶界散射和晶粒的直徑d成反比，平均自由程與d成正比。l位錯(cuò)的散射位錯(cuò)的散射Cv聲子 碰撞l點(diǎn)缺陷l晶界l 位錯(cuò)l低溫lT3 l exp(D/2T) lT -4ldl1/ T2 T3 exp(D/2T)T -1d T3 T高溫常數(shù)exp(D/2T)常數(shù)

10、(晶格常數(shù))1/ T2 exp(D/2T)常數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系固體中的分子、原子和電子 振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng) 電磁波（光子）具有較強(qiáng)熱效應(yīng)的電磁波在波長(zhǎng)在0.4-40m間可見(jiàn)光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱為熱射線。稱為熱射線。2）熱輻射）熱輻射：熱射線的傳遞過(guò)程-熱輻射熱輻射。熱輻射在固體中的傳播過(guò)程和光在介質(zhì)中的傳播過(guò)程類(lèi)熱輻射在固體中的傳播過(guò)程和光在介質(zhì)中的傳播過(guò)程類(lèi)似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。3）光子導(dǎo)熱）光子導(dǎo)熱:光子在介質(zhì)中的傳播過(guò)程-光子的導(dǎo)熱過(guò)光子的導(dǎo)熱過(guò)程。程。 在溫度不太高時(shí)，固體中電磁輻射能很微弱，在

11、高溫時(shí)很明顯。l固體中的輻射傳熱過(guò)程的定性解釋?zhuān)汗腆w中的輻射傳熱過(guò)程的定性解釋?zhuān)狠椛漭椛湮瘴諢岱€(wěn)定狀態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài)輻射源輻射源T T1 1T T2 2能量轉(zhuǎn)移能量轉(zhuǎn)移熱傳導(dǎo)過(guò)程熱傳導(dǎo)過(guò)程：當(dāng)介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，相鄰體積間溫度高的體積元輻射的能量大，吸收的能量??；溫度較低的體積元正好相反，吸收的能量大于輻射的，因此，產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，整個(gè)介質(zhì)中熱量從高溫處向低溫處傳遞。傳熱體傳熱體：體積元既能輻射出一定頻率的射線，也能吸收類(lèi)似的射線。輻射傳熱過(guò)程輻射傳熱過(guò)程熱穩(wěn)定狀態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài)：介質(zhì)中任一體積元平均輻射的能量與平均吸收的能量相等。l固體中的輻射傳熱的熱導(dǎo)率計(jì)算過(guò)程固體中的輻射傳熱的熱導(dǎo)率計(jì)算過(guò)

12、程vTnEr/443輻射能量輻射能量輻射能量與溫度的四次方成正比。是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)(為5. 6710-8W/(m2K4),n是折射率，是光速(3 1010cm/s)。6) 傳導(dǎo)率傳導(dǎo)率vTnTEcR3316)(rrlTn32316lvc315)容積熱容容積熱容dvvvlvc)()(31lr： 輻射線光子的平均自由程。vTnTEcR3316)(rrlTn32316lr： 是輻射線光子的平均自由程。 容積熱容相當(dāng)于提高輻射溫度所需的能量，所以 對(duì)于輻射線是透明的介質(zhì)，熱阻很小， lr較大，如：?jiǎn)尉?、玻璃，?73-1273K輻射傳熱已很明顯；對(duì)于輻射線不透明的介質(zhì)， lr很??；大多數(shù)陶瓷，一

13、些耐火材料在1773K高溫下輻射明顯；對(duì)于完全不透明的介質(zhì)，lr =0，在這種介質(zhì)中，輻射傳熱可以忽略。 8）光子的平均自由程）光子的平均自由程lr介質(zhì)的影響：介質(zhì)的影響：吸收系數(shù)小的透明材料，當(dāng)溫度為幾百度()時(shí)，光輻射是主要的； 吸收系數(shù)大的不透明材料，即使在高溫時(shí)光子傳導(dǎo)也不重要。 在非金屬材料中，主要是光子的散射使得lr比玻璃和單晶都小。只是在1500以上，光子傳導(dǎo)才是主要的。光子的吸收和散射光子的吸收和散射則影響熱導(dǎo)率的因素即為公式中的參數(shù)：v v： v是聲子平均速度，是常數(shù)，只有在溫度較高時(shí)，由于介質(zhì)的結(jié)構(gòu)松馳而蠕變，使介質(zhì)的彈性模量迅速下降，v減小。c c： c是聲子的體積熱容，

14、熱容c在低溫下與T3成比例，在超過(guò)德拜溫度便趨于一恒定值。l l：聲子平均自由程l隨著溫度升高而降低。lvc31在溫度不太高的范圍內(nèi)，主要是聲子傳導(dǎo)，熱導(dǎo)率1.溫度的影響溫度的影響 物質(zhì)種類(lèi)不同，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律也有很大不同。隨溫度上升，導(dǎo)熱系數(shù)增大。在溫度超過(guò)一定程度以后，熱導(dǎo)率隨溫度的上升而緩慢下降。 在實(shí)用的溫度范圍內(nèi) ，隨溫度的上升，熱導(dǎo)率下降。由于氣孔導(dǎo)熱占一定份量,隨著溫度的上升,熱導(dǎo)率略有增大。 T T3 3 40K 1600K 40K 1600K exp(exp( D D/2T)/2T)熱輻射熱輻射氧化鋁單晶的熱導(dǎo)率隨溫度的變化 0 400 800 1200 1600

15、200010.10.010.0010.0001PtPt石墨石墨SiCSiC粘土耐火磚粘土耐火磚SiOSiO2 2玻璃玻璃粉末粉末MgOMgO280028000 0F F隔熱磚隔熱磚200020000 0F F隔熱磚隔熱磚MgOMgOAlAl2 2O O3 3ZrOZrO2 2溫度溫度( (0 0C)C)BeOBeO熱傳導(dǎo)系數(shù)熱傳導(dǎo)系數(shù)( (卡卡/ /秒秒厘米厘米0 0C)C) 物質(zhì)組分原子量之差越小，質(zhì)點(diǎn)的原子量越小，密度越小 德拜溫度越大，結(jié)合能大熱傳導(dǎo)系數(shù)越大2. 2.化學(xué)組成的影響化學(xué)組成的影響質(zhì)點(diǎn)的原子量愈小，密度愈小，德拜溫度愈高，則熱導(dǎo)率愈大。線性簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，幾乎無(wú)熱阻，熱阻是由非

16、線性振動(dòng)引起。 晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。 1）原子量與的關(guān)系 晶體中存在的各種缺陷和雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致聲子的散射，降低聲子的平均自由程，使熱導(dǎo)率變小。 固溶體的形成同樣也降低熱導(dǎo)率，而且取代元素的質(zhì)量和大小與基質(zhì)元素相差愈大，取代后結(jié)合力改變愈大，則對(duì)熱導(dǎo)率的影響愈大.（1）低溫時(shí)缺陷及雜質(zhì)的影響隨著溫度的升高而加劇。（2）溫度高于德拜溫度的一半時(shí)這種影響與溫度無(wú)關(guān)。u單質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)金剛石的熱傳導(dǎo)系數(shù)比任何其他材料都大，常用于固體器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能輸出大功率。u較低原子量的正離子形成的氧化物和碳化物具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，如: BeO,SiC 5 5 10 30

17、 100 300 10 30 100 300 原子量原子量U UC CSi SiBeBeB BMgMgAlAlZnZnNiNiThTh碳化物碳化物氧化物氧化物CaCaTiTiu晶體是置換型固溶體，非計(jì)量化合物時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)降低。 0 20 40 60 80 100MgO 體積分?jǐn)?shù) NiO 熱傳導(dǎo)系數(shù)(卡/秒厘米0C0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06u化學(xué)組成復(fù)雜的固體具有小的熱傳導(dǎo)系數(shù)如MgO,Al2O3和MgAl2O4結(jié)構(gòu)一樣，而MgAl2O4的熱傳導(dǎo)系數(shù)低，2Al2O33SiO2莫來(lái)石比尖晶石更小. 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，導(dǎo)致

18、聲子平均自由程較小，熱導(dǎo)率較低。 非等軸晶系的晶體熱導(dǎo)率呈各向異性。晶向不同，熱傳導(dǎo)系數(shù)也不一樣，如：石墨、BN為層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)比層間的大4倍，在空間技術(shù)中用于屏蔽材料。 溫度升高時(shí)，不同方向的熱導(dǎo)率差異減小。這是因?yàn)闇囟壬撸w的結(jié)構(gòu)總是趨于更好的對(duì)稱。多晶體與單晶體同一種物質(zhì)，多晶體的熱導(dǎo)率總比單晶小。多晶材料中各種缺陷多，聲子易受到散射，平均自由程小，熱導(dǎo)率小。低溫時(shí)，多晶的熱導(dǎo)率與單晶的平均熱導(dǎo)率一致，溫度升高，差異變大。因?yàn)榫Ы纭⑷毕?、雜質(zhì)等在高溫時(shí)降低聲子熱傳導(dǎo)，而多晶的光子傳導(dǎo)較單晶弱，所以，以光子導(dǎo)熱的高溫時(shí)，差異變大。非晶體非晶體 晶體與非晶體晶體與非晶體0 T(K)0 T

19、(K) 400400600K600K 600 600900K900K 0 T(K)0 T(K) 說(shuō)明：說(shuō)明： 非晶體的聲子導(dǎo)熱系數(shù) 在所有溫度下都比晶體?。?兩者在高溫下比較接近； 兩者曲線的重大區(qū)別在于晶體有一峰值。玻璃的導(dǎo)熱主要由熱容與溫度的關(guān)系決定，在更高溫度以上則需考慮光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)。lvc31 對(duì)于晶粒極細(xì)的玻璃來(lái)說(shuō)，它的聲子平均自由程在不同溫度將基本上是常數(shù)，其值近似等于幾個(gè)晶格間距。則根據(jù)聲子導(dǎo)熱的(3.43)式： 在中低溫(400-600K)以下：即隨著溫度的升高，玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)上升。當(dāng)于圖3.17中的 OF段。 從中溫到較高溫度(600-900K)：聲子導(dǎo)熱也不再隨溫度升高而

20、增大。非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線 導(dǎo)熱系數(shù)曲線出現(xiàn)一條與橫坐標(biāo)接近平行的直線，相當(dāng)于圖中的Fg段。 如果考慮此時(shí)光子導(dǎo)熱在總的導(dǎo)熱中的貢獻(xiàn)已開(kāi)始增大，則為圖中的 Fg段。 高溫以上(超過(guò)900K):隨著溫度的進(jìn)一步升高，聲子導(dǎo)熱變化仍不大，相當(dāng)于圖中的gh段。 由于光子的平均自由程明顯增大，光子導(dǎo)熱系數(shù)r 將隨溫度的三次方增大。相當(dāng)于圖中的gh段。非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線非晶體的聲子導(dǎo)熱系數(shù) 在所有溫度下都比晶體??；晶體和非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)在高溫時(shí)比較接近；晶體物質(zhì)的-T有峰值點(diǎn)m，而非晶體物質(zhì)沒(méi)有。 晶體和非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線 由于非晶體材料特有的無(wú)序結(jié)構(gòu)，聲子平均自由程都被限制在幾個(gè)晶胞間距的量級(jí)，因而組分對(duì)其影響小。 圖3.19中幾種玻璃的組分差別較大，但其導(dǎo)熱系數(shù)的差別卻比小。 這說(shuō)明玻璃組分對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響，要比晶體材料中組分的影響小。幾種不同組分玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)曲線 1.鈉玻璃；2.熔融SiO2； 3耐熱玻璃；4鉛玻璃 在一般情況下，晶體和非晶體共存材料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線，往往介于晶體和非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線之間?？赡艹霈F(xiàn)三種情況： 當(dāng)材料中所含有晶相比非晶相多時(shí)，在一般溫度以上，熱導(dǎo)率隨溫度上升而有所下降。在高溫下熱導(dǎo)率基本上不隨溫度變化； 當(dāng)材料中所含的非晶相比晶相多時(shí)，熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大； 當(dāng)材料中所含的非晶相比晶相多時(shí)，熱導(dǎo)率可以在一個(gè)相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)基本保持常數(shù)。