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1、材料的热传导与热稳定性,基本概念： 热传导 (热能工程、制冷技术、燃汽轮机叶片散热） 热导率（）-热阻率=1 / 热扩散率（）,基本规律： 傅立叶（Fourier）定律： 魏德曼-弗兰兹定律：,材料的热传导,热导率(Thermal Conductivity）：,（1）稳定传热过程:,定义,傅立叶（Fourier）定律：,热传导:材料中热量由高温向低温区域传递的现象。,单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。 导热能力。,常温下不同材料的热导率,铝：205；铜：385；银：414；钢：46；冰：1.674；混泥土：0.837；玻璃：0.837；木材：0.084；氢气：0.138；氧气：
2、0.0234；空气：0.024.,材料的热传导,对于一个外界无热交换，本身又存在温度梯度的物体，单位面积上的温度随时间的变化率为:,定义,热扩散率：,（1）不稳定传热过程:,魏德曼-弗兰兹定律：许多金属的热导率与电导率之比与温度成正比： / = LT,固体材料热传导的微观机理,固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。,金属：主要是电子导热为主，合金/半导体：电子/声子导热，绝缘体：声子导热,热传导过程：材料内部的能量传输过程,能量的载体：电子（德布罗意波） 声子（格波）：声频波的量子 光子（电磁波）,热传导的物理机制,声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。,热阻： 声子扩散过程中的各
3、种散射。,热传导系数：,其中，c：声子比热容；v：声子传播速度；l：声子平均自由程。,声子和声子导热 微观机理,格波的传播看成是质点-声子的运动；格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞；格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为 声子同晶体质点的碰撞；理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。晶体中，热传导的实质就是碰撞。,光子的导热：光子在介质中的传播过程 （光的散射、衍射、吸收、反射和折射）,热辐射：热射线的传递过程（可见光与部分近红外光的区域）,光子和光子导热 微观机理,影响热导率的因素,温度的影响 显微结构的影响 化学组成的影响 气孔的影响,温度的影响,温度较低时，主要是 声子传
4、导 自由程则有随温度的升高而迅速降低的特点高温时,则迅速降低， 在40K附近，出现极大值。当达到1600K时，由于辐射传热，又有所升高,热导率随温度的变化,显微结构的影响,几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系,显微结构的影响,晶体和非晶体材料的导热系数曲线,化学组成的影响,MgO-NiO的固溶体的热导率,导热系数测量方法及仪器,稳态方法:1. 热流法导热仪：2. 保护热流法导热仪：3. 保护热板法导热仪：动态（瞬时）测量法热线法：激光闪射法：,热流法测量原理,NETZSCH HFM436 Lambda 热流法导热仪，适用于绝热材料。,保护热流法导热仪：,保护热流法导热仪,保护热板法导热仪:
5、,保护热板法导热仪,动态（瞬时）测量法,NETZSCH LFA 447 激光导热仪,材料的热稳定性,抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂；抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。,热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。,热冲击损坏的类型：,热稳定性的表示方法,1 . 一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度表示。（日用瓷）2 . 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重
6、复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次数n表示。耐火材料 ： 1123K； 40min ； 283293K； 3(5!0)min3 . 试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。,热应力的产生,热应力：由于温度变化而引起的应力,在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞后现象- 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。,淬火钢的回火,I: 80 160 ： 体积收缩，相碳化物析出，马氏
7、体正方度下降。II: 230 280 ：体积膨胀，残奥分解。,III: 260 360 ：体积收 缩，马氏体分解为铁素体和碳化铁。,535 回火：200 出现拐折，表明回火钢转变为铁素体和渗碳体（弱铁磁相）。,抗热冲击断裂性能,热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般有如下规律:,热导率越高，传热越快，有利于热稳定; 传热途径(通道)短，易使材料中的温度均匀; 表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 热应力就高， 就越不利于热稳定性。,表面热传递系数h材料表面温度比周围环境温度高1K时在单位面积单位时间带走的热量。,提高抗热冲击断裂性能的措施,提高应力强度，减小弹性模量E 提高材料的热导率 减小材料的膨胀系数 减少材料表面热传递系数 减小产品的有效厚度,
