1、固體材料熱導(dǎo)率的測量技術(shù)與理論分析固體材料熱導(dǎo)率的測量技術(shù)與理論分析目錄目錄前言前言1.1.熱的微觀理論熱的微觀理論. .固體導(dǎo)熱機(jī)制概述固體導(dǎo)熱機(jī)制概述2.2.導(dǎo)熱載體類別導(dǎo)熱載體類別3.3.導(dǎo)熱系數(shù)理論曲線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證導(dǎo)熱系數(shù)理論曲線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證7.7.與其他物性的關(guān)聯(lián)性與其他物性的關(guān)聯(lián)性4.4.工程材料導(dǎo)熱因子的理論分析工程材料導(dǎo)熱因子的理論分析.影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理、化學(xué)因素影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理、化學(xué)因素1.1.溫度溫度2.2.體積密度體積密度4.4.化學(xué)成分化學(xué)成分3.3.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)5.5.氣孔氣孔6.6.晶粒、晶界、缺陷、微裂紋晶粒、晶界、缺陷、微裂紋目錄目錄.導(dǎo)熱性能作為研

2、究材料微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例導(dǎo)熱性能作為研究材料微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例1.1.相變的導(dǎo)熱研究相變的導(dǎo)熱研究5.5.微裂紋的導(dǎo)熱研究微裂紋的導(dǎo)熱研究2.2.電疇的導(dǎo)熱研究電疇的導(dǎo)熱研究3.3.晶態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱的非晶態(tài)行為晶態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱的非晶態(tài)行為4.4.晶界狀態(tài)的導(dǎo)熱研究晶界狀態(tài)的導(dǎo)熱研究 . .熱功能材料熱性能的優(yōu)化和設(shè)計熱功能材料熱性能的優(yōu)化和設(shè)計前言前言熱物理性質(zhì)熱物理性質(zhì)輸運(yùn)性質(zhì)：熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、熱膨脹、熱輻射、粘度輸運(yùn)性質(zhì)：熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、熱膨脹、熱輻射、粘度熱力學(xué)性質(zhì)：比熱、熱焓熱力學(xué)性質(zhì)：比熱、熱焓熱物性學(xué)研究范疇熱物性學(xué)研究范疇1.1.熱物性測試方法和技術(shù)研究熱物性測試方法和技術(shù)研究2.2

3、.熱物性物理模型和機(jī)制研究熱物性物理模型和機(jī)制研究3.3.熱物性變化規(guī)律及影響因素研究熱物性變化規(guī)律及影響因素研究4.4.宏觀熱物性與微觀結(jié)構(gòu)、顯微組織、化學(xué)成分間關(guān)系研究宏觀熱物性與微觀結(jié)構(gòu)、顯微組織、化學(xué)成分間關(guān)系研究5.5.熱物性數(shù)據(jù)判讀及數(shù)據(jù)庫建立熱物性數(shù)據(jù)判讀及數(shù)據(jù)庫建立熱物性在基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)中的作用熱物性在基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)中的作用航天技術(shù)航天技術(shù)宏觀熱障宏觀熱障ICIC和和ITIT技術(shù)技術(shù)微觀熱障微觀熱障能源技術(shù)和動力工程能源技術(shù)和動力工程熱裝置的熱設(shè)計熱裝置的熱設(shè)計熱過程的熱分析熱過程的熱分析熱功能材料的刪選及優(yōu)化熱功能材料的刪選及優(yōu)化研究材料微觀結(jié)構(gòu)變化的一種新方法研究材

4、料微觀結(jié)構(gòu)變化的一種新方法1.1.基本概念基本概念2.2.方法考慮方法考慮在固體熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)測定中，對于不同的試驗(yàn)溫度范圍和具有不同熱導(dǎo)率數(shù)在固體熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)測定中，對于不同的試驗(yàn)溫度范圍和具有不同熱導(dǎo)率數(shù)值范圍的各類材料，需要許多不同的測試方法。因此，至今還沒有一種測試值范圍的各類材料，需要許多不同的測試方法。因此，至今還沒有一種測試方法能適用于所有的材料和所有的溫度范圍。在選定一種合適的測試方法時，方法能適用于所有的材料和所有的溫度范圍。在選定一種合適的測試方法時，需要考慮如下因素：需要考慮如下因素：1 1）材料的物理特性）材料的物理特性2 2）把試樣加工成所需幾何形狀的可能性和難易程度）

5、把試樣加工成所需幾何形狀的可能性和難易程度3 3）所需的測試準(zhǔn)確度和精度）所需的測試準(zhǔn)確度和精度4 4）測試周期的長短）測試周期的長短5 5）建立測試裝置所需的時間和資金。）建立測試裝置所需的時間和資金。熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) thermal conductivity：單位溫度梯度、單位厚度：單位溫度梯度、單位厚度熱擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率 熱擴(kuò)散系數(shù)熱擴(kuò)散系數(shù) thermal diffusivity：溫度擴(kuò)散快慢：溫度擴(kuò)散快慢傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) heat transfer coefficient:兩側(cè)流體間傳熱強(qiáng)度兩側(cè)流體間傳熱強(qiáng)度換熱系數(shù)換熱系數(shù) heat exchange coefficie

6、nt：固體與流體的換熱強(qiáng)度：固體與流體的換熱強(qiáng)度. .固體熱導(dǎo)率測量方法固體熱導(dǎo)率測量方法3.3.方法分類方法分類()()()()CutBarMethodFortesDeSenarmont圓棒法絕對法平板 圓盤 法棒元體法縱向熱流法 比較法平板 圓盤法混合法福勃圓棒法圓柱體法絕對法 球體和橢球法穩(wěn)態(tài)法平板法徑向熱流法同心圓球體法比較法盤狀法縱向熱流法圓柱體法 徑向熱流法直接電加熱法細(xì)棒近似法矩形棒法熱電法熱比較器法()縱向熱流法周期熱流法徑向熱流法縱向熱流法閃光法 激光脈沖法非穩(wěn)態(tài)法徑向熱流法瞬時熱流法線熱源法和探針法可動熱源法比較法文獻(xiàn)：謝華清, 奚同庚. 低維材料熱物理, 上海: 上海科學(xué)

7、技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2008.4.4.穩(wěn)態(tài)法典型方法穩(wěn)態(tài)法典型方法平板法平板法/ /保護(hù)熱流法保護(hù)熱流法Qd TAd x適用：較低熱導(dǎo)率、疏適用：較低熱導(dǎo)率、疏松顆粒或復(fù)合類保溫保松顆粒或復(fù)合類保溫保冷材料冷材料注意：一維熱流不滿足，注意：一維熱流不滿足，徑向散熱導(dǎo)致溫差偏大，徑向散熱導(dǎo)致溫差偏大，從而結(jié)果會偏小。應(yīng)根從而結(jié)果會偏小。應(yīng)根據(jù)功率來進(jìn)行散熱校正。據(jù)功率來進(jìn)行散熱校正。5.5.非穩(wěn)態(tài)法典型方法非穩(wěn)態(tài)法典型方法熱線法熱線法/ /探針法探針法A加熱線熱線電電流計計V樣品樣品電電圧計計熱熱電偶電偶熱流熱流= q ln(t2 /t1)4 (T2 -T1)適用：中低熱導(dǎo)率、纖維類、耐火磚或復(fù)合

8、類保溫保冷材料適用：中低熱導(dǎo)率、纖維類、耐火磚或復(fù)合類保溫保冷材料注意：樣品尺寸要求不能熱流碰邊界；熱線蓄熱和散熱導(dǎo)致結(jié)果偏大；注意：樣品尺寸要求不能熱流碰邊界；熱線蓄熱和散熱導(dǎo)致結(jié)果偏大；根據(jù)樣品熱導(dǎo)率選擇功率根據(jù)樣品熱導(dǎo)率選擇功率溫溫度度( (K)K)時間時間log(t)log(t)T2T1t1t26.6.非穩(wěn)態(tài)法典型方法非穩(wěn)態(tài)法典型方法激光閃光法激光閃光法適用：致密固體材料適用：致密固體材料注意：結(jié)果對激光均勻性和樣品厚度較為敏感。注意：結(jié)果對激光均勻性和樣品厚度較為敏感。21 / 21 / 2LtpC 激光脈沖時間相對于熱擴(kuò)散時間可忽略激光脈沖時間相對于熱擴(kuò)散時間可忽略 前表面均勻吸收

9、激光脈沖前表面均勻吸收激光脈沖 樣品絕熱邊界條件樣品絕熱邊界條件 樣品均勻和各向同性樣品均勻和各向同性 樣品不透明樣品不透明1. 溫升無限小溫升無限小 激光不均勻（包括激光不對準(zhǔn)）激光不均勻（包括激光不對準(zhǔn)） 樣品溫度不準(zhǔn)確樣品溫度不準(zhǔn)確 溫升過高溫升過高 溫升測量非線性溫升測量非線性 樣品厚度過小或過大樣品厚度過小或過大1. 樣品半透明樣品半透明1. 激光不均勻（包括激光不對準(zhǔn)）激光不均勻（包括激光不對準(zhǔn)）在一定厚度下，中間能量高實(shí)線，測試偏大在一定厚度下，中間能量高實(shí)線，測試偏大 中間能量低虛線，測試偏小中間能量低虛線，測試偏小2.樣品溫度不準(zhǔn)確樣品溫度不準(zhǔn)確對不同趨勢樣品影響不一樣對不同

10、趨勢樣品影響不一樣使用期內(nèi)的熱電偶，應(yīng)經(jīng)常檢查熱電極和保護(hù)管是否良好，使用期內(nèi)的熱電偶，應(yīng)經(jīng)常檢查熱電極和保護(hù)管是否良好，如果發(fā)現(xiàn)熱電偶表面有麻點(diǎn)、污漬、局部直徑變細(xì)或保護(hù)如果發(fā)現(xiàn)熱電偶表面有麻點(diǎn)、污漬、局部直徑變細(xì)或保護(hù)管表面腐蝕嚴(yán)重等現(xiàn)象，應(yīng)停止使用，并維修或更換新熱電偶。管表面腐蝕嚴(yán)重等現(xiàn)象，應(yīng)停止使用，并維修或更換新熱電偶。 測溫?zé)犭娕茧妱轀y溫?zé)犭娕茧妱?與與 金屬特性溫接點(diǎn)溫度相關(guān)金屬特性溫接點(diǎn)溫度相關(guān)容易收到容易收到 碳、磷和其它金屬的污染，且敏感碳、磷和其它金屬的污染，且敏感前后熱電偶的溫差在前后熱電偶的溫差在300度較大，隨溫度升高逐漸降低度較大，隨溫度升高逐漸降低3.溫升過高

11、溫升過高原則上，激光能量大小不影響測量，但是，溫升過大，會使影響變大原則上，激光能量大小不影響測量，但是，溫升過大，會使影響變大可承受的溫升為可承受的溫升為5 K，-3，10K，-5盡量小的激光電壓盡量小的激光電壓偏差對溫升的依賴偏差對溫升的依賴4.溫升測量非線性溫升測量非線性4 um波長在不同溫度的光譜輻射能量波長在不同溫度的光譜輻射能量PbS的線性響應(yīng)的線性響應(yīng)300K時時10K溫升實(shí)際測量非線性變形溫升實(shí)際測量非線性變形實(shí)線理想實(shí)線理想虛線變形虛線變形不同溫度下非線性導(dǎo)致的偏差不同溫度下非線性導(dǎo)致的偏差實(shí)線實(shí)線10K溫升溫升虛線虛線5K溫升溫升5.樣品厚度過小或過大樣品厚度過小或過大2L

12、特征時間特征時間應(yīng)該比激光時間大應(yīng)該比激光時間大2個數(shù)量級個數(shù)量級厚度過小，結(jié)果偏小厚度過小，結(jié)果偏小厚度過大，結(jié)果偏大厚度過大，結(jié)果偏大6.樣品半透明樣品半透明加涂層后，結(jié)果偏小，影響小于加涂層后，結(jié)果偏小，影響小于1仍然透光，結(jié)果偏大，影響仍然透光，結(jié)果偏大，影響35校正到理論密度后的多晶氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測曲線校正到理論密度后的多晶氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測曲線（1 1）無機(jī)非金屬材料（陶瓷等）無機(jī)非金屬材料（陶瓷等）陶瓷材料（晶體）導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線陶瓷材料（晶體）導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線校正到理論密度后的多晶氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)校正到理論密度后的多晶氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)石墨和的石墨和的SiCSiC導(dǎo)

13、熱系數(shù)曲線導(dǎo)熱系數(shù)曲線玻璃等非晶體材料導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線玻璃等非晶體材料導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線1 1聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn) 2 2聲子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)聲子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)（2 2）非晶態(tài)材料）非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料可看成是近程有序、遠(yuǎn)程無序的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)材料可看成是近程有序、遠(yuǎn)程無序的結(jié)構(gòu)石英玻璃的實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)曲線石英玻璃的實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)曲線幾種不同組分玻璃的實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)曲線幾種不同組分玻璃的實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)曲線金屬導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線金屬導(dǎo)熱系數(shù)的理論曲線（3 3）金屬材料）金屬材料金屬導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測曲線金屬導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測曲線4.4.工程材料的導(dǎo)熱因子分析工程材料的導(dǎo)熱因子分析（1 1）典型工

14、程材料導(dǎo)熱因子構(gòu)成）典型工程材料導(dǎo)熱因子構(gòu)成有效導(dǎo)熱系數(shù)有效導(dǎo)熱系數(shù) 的概念的概念導(dǎo)熱、對流、熱輻射三種傳播方式對導(dǎo)熱導(dǎo)熱、對流、熱輻射三種傳播方式對導(dǎo)熱性能按權(quán)重的綜合貢獻(xiàn)性能按權(quán)重的綜合貢獻(xiàn)ee(,),(,),eSSCSFSMRRGRSGCf SSCSFSMRRGRSGC導(dǎo)熱、輻射和對流三種傳熱方式對有效導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)可分解成若干導(dǎo)熱、輻射和對流三種傳熱方式對有效導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)可分解成若干導(dǎo)熱因子，絕熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱因子，絕熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù) 可由下列導(dǎo)熱因子組成：可由下列導(dǎo)熱因子組成：式中式中固相導(dǎo)熱因子，包括非金屬晶態(tài)相導(dǎo)熱因子固相導(dǎo)熱因子，包括非金屬晶態(tài)相導(dǎo)熱因子 （聲子），（

15、聲子），玻璃相導(dǎo)熱因子玻璃相導(dǎo)熱因子 （聲子），金屬相導(dǎo)熱因子（聲子），金屬相導(dǎo)熱因子 （電子）（電子）輻射導(dǎo)熱因子，包括氣相輻射導(dǎo)熱因子，包括氣相( (氣孔內(nèi)氣孔內(nèi)) )輻射導(dǎo)熱因子輻射導(dǎo)熱因子 ，固相輻射導(dǎo)熱因子固相輻射導(dǎo)熱因子 （光子）（光子）氣相熱導(dǎo)導(dǎo)熱因子（分子）氣相熱導(dǎo)導(dǎo)熱因子（分子）氣相對流導(dǎo)熱因子（分子）氣相對流導(dǎo)熱因子（分子）熱熱面面冷冷面面非金屬固體導(dǎo)熱非金屬固體導(dǎo)熱( (聲子）聲子）氣孔內(nèi)氣體導(dǎo)熱和對流氣孔內(nèi)氣體導(dǎo)熱和對流( (分子）分子）絕熱材料熱傳遞原理圖絕熱材料熱傳遞原理圖熱輻射（光子）熱輻射（光子）微孔硅酸鈣電鏡照片微孔硅酸鈣電鏡照片氣孔尺寸氣孔尺寸202080

16、um80 um聚氨酯泡沫電鏡照片聚氨酯泡沫電鏡照片氣孔尺寸氣孔尺寸150150300 um300 um(2).(2).導(dǎo)熱因子隨材料密度和溫度變化規(guī)律導(dǎo)熱因子隨材料密度和溫度變化規(guī)律1 1絕熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù)絕熱材料有效導(dǎo)熱系數(shù)e e 2 2絕熱材料氣相導(dǎo)熱因子的貢獻(xiàn)絕熱材料氣相導(dǎo)熱因子的貢獻(xiàn)3 3絕熱材料中的輻射導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)絕熱材料中的輻射導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn) 4 4絕熱材料對流導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)絕熱材料對流導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn) 5 5絕熱材料中的固相導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)絕熱材料中的固相導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)32316TLnRR輻射導(dǎo)熱因子輻射導(dǎo)熱因子因此，當(dāng)溫度從因此，當(dāng)溫度從65 538 時時 貢獻(xiàn)貢獻(xiàn)R典型絕熱材料在典型絕熱

17、材料在6565和和538538時時不同體積密度下不同體積密度下各種導(dǎo)熱因子對各種導(dǎo)熱因子對 的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn) e.影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理、化學(xué)因素影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的物理、化學(xué)因素1.1.溫度（室溫以上）溫度（室溫以上）(1).(1).晶態(tài)無機(jī)非金屬材料晶態(tài)無機(jī)非金屬材料(2).(2).非晶態(tài)無機(jī)非金屬材料非晶態(tài)無機(jī)非金屬材料(3).(3).多孔絕熱材料和輕質(zhì)磚多孔絕熱材料和輕質(zhì)磚(4).(4).金屬材料金屬材料2. 2. 體積密度體積密度 ，(1).(1).陶瓷材料：陶瓷材料：500500以下，氣孔率以下，氣孔率P P 400.1dp0.1厘米厘米; ;7. 7. 輻射導(dǎo)熱，輻射導(dǎo)熱，dp=0.0

18、1dp=0.01厘米；厘米；8. 8. 輻射導(dǎo)熱，輻射導(dǎo)熱，dp=0.005dp=0.005厘米。厘米。5.5.氣孔氣孔(1).(1).氣孔率氣孔率(2).(2).氣孔形態(tài)（封閉與連通，層狀氣孔）氣孔形態(tài)（封閉與連通，層狀氣孔）(3).(3).多孔尺寸：氣孔直徑多孔尺寸：氣孔直徑 ， 強(qiáng)度強(qiáng)度 RGCKCl KCl 晶體熱阻與晶粒尺寸和溫度的關(guān)系晶體熱阻與晶粒尺寸和溫度的關(guān)系6.6.晶粒、晶界、缺陷、微裂紋晶粒、晶界、缺陷、微裂紋(1).(1).晶粒尺寸晶粒尺寸 ，e(3).(3).缺陷：類型、濃度缺陷：類型、濃度(2).(2).晶界尺寸與成分晶界尺寸與成分多晶多晶TiO2熱處理對導(dǎo)熱系數(shù)的影

19、響熱處理對導(dǎo)熱系數(shù)的影響(4).(4).微裂紋微裂紋7.7.與其他物性的關(guān)聯(lián)性與其他物性的關(guān)聯(lián)性(1).(1).理論密度理論密度，小，小， 大，則大，則 大大 (2).(2).壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)x或彈性模量或彈性模量E: x 或或E大，大， 大，則大，則 大大(3).(3).原子量原子量A: : A小，小， 大，大， 大大(4).(4).晶體結(jié)合能晶體結(jié)合能DeDeDe熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)熔點(diǎn)熔點(diǎn)Tm結(jié)合能大結(jié)合能大熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 小小熔點(diǎn)熔點(diǎn)Tm 高高e大大.導(dǎo)熱性能作為研究材料微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例導(dǎo)熱性能作為研究材料微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例1.1.相變的導(dǎo)熱研究相變的導(dǎo)熱研究Thermal d

20、iffusivity and dielectric constant of LiTaO3 single crystal,versus temperature引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869 Thermal diffusivity, thermal conductivity, and dielectric constant of PbTiO3 ceramic, versus temperature 引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869Thermal diffusivity and dielectric constan

21、t of doped PZT(45/55) ceramic, versus temperature引自引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869Specific heat of doped PZT(96.5/3.5) ceramic, versus temperatureThermal expansivity of doped PZT(96.5/3.5) ceramic, versus temperatureSpecific heat of doped PZT(97.5/2.5) ceramic, versus temperature引自引自Ferroelectri

22、cs,1981. Vol.38, p8692.2.電疇的導(dǎo)熱研究電疇的導(dǎo)熱研究Thermal diffusivity and dielectric constant of doped PbNb2O6引自引自High Temp.-High Press. 1985. Vol.17, p3653.3.晶態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱的非晶態(tài)行為晶態(tài)物質(zhì)導(dǎo)熱的非晶態(tài)行為Temperature dependence of the thermal conductivity of Sr0.52Ba0.48Nb2O6 single crystal. :Ka; :Kc The solid curve denotes the thermal conductivity of Sr0.45Ba0.55Nb2O6 along an unspecified direction