固体材料热导率测量培训讲义

1、固体材料热导率的测量技术与理论分析固体材料热导率的测量技术与理论分析目录目录前言前言1.1.热的微观理论热的微观理论. .固体导热机制概述固体导热机制概述2.2.导热载体类别导热载体类别3.3.导热系数理论曲线的实验验证导热系数理论曲线的实验验证7.7.与其他物性的关联性与其他物性的关联性4.4.工程材料导热因子的理论分析工程材料导热因子的理论分析.影响材料导热系数的物理、化学因素影响材料导热系数的物理、化学因素1.1.温度温度2.2.体积密度体积密度4.4.化学成分化学成分3.3.晶体结构晶体结构5.5.气孔气孔6.6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹晶粒、晶界、缺陷、微裂纹目录目录.导热性能作为研

2、究材料微观结构的应用实例导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.1.相变的导热研究相变的导热研究5.5.微裂纹的导热研究微裂纹的导热研究2.2.电畴的导热研究电畴的导热研究3.3.晶态物质导热的非晶态行为晶态物质导热的非晶态行为4.4.晶界状态的导热研究晶界状态的导热研究 . .热功能材料热性能的优化和设计热功能材料热性能的优化和设计前言前言热物理性质热物理性质输运性质：热导率、热扩散率、热膨胀、热辐射、粘度输运性质：热导率、热扩散率、热膨胀、热辐射、粘度热力学性质：比热、热焓热力学性质：比热、热焓热物性学研究范畴热物性学研究范畴1.1.热物性测试方法和技术研究热物性测试方法和技术研究2.2

3、.热物性物理模型和机制研究热物性物理模型和机制研究3.3.热物性变化规律及影响因素研究热物性变化规律及影响因素研究4.4.宏观热物性与微观结构、显微组织、化学成分间关系研究宏观热物性与微观结构、显微组织、化学成分间关系研究5.5.热物性数据判读及数据库建立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热物性在基础科学和工程技术中的作用航天技术航天技术宏观热障宏观热障ICIC和和ITIT技术技术微观热障微观热障能源技术和动力工程能源技术和动力工程热装置的热设计热装置的热设计热过程的热分析热过程的热分析热功能材料的删选及优化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研究材

4、料微观结构变化的一种新方法1.1.基本概念基本概念2.2.方法考虑方法考虑在固体热导率的实验测定中，对于不同的试验温度范围和具有不同热导率数在固体热导率的实验测定中，对于不同的试验温度范围和具有不同热导率数值范围的各类材料，需要许多不同的测试方法。因此，至今还没有一种测试值范围的各类材料，需要许多不同的测试方法。因此，至今还没有一种测试方法能适用于所有的材料和所有的温度范围。在选定一种合适的测试方法时，方法能适用于所有的材料和所有的温度范围。在选定一种合适的测试方法时，需要考虑如下因素：需要考虑如下因素：1 1）材料的物理特性）材料的物理特性2 2）把试样加工成所需几何形状的可能性和难易程度）

5、把试样加工成所需几何形状的可能性和难易程度3 3）所需的测试准确度和精度）所需的测试准确度和精度4 4）测试周期的长短）测试周期的长短5 5）建立测试装置所需的时间和资金。）建立测试装置所需的时间和资金。热导率热导率 导热系数导热系数 thermal conductivity：单位温度梯度、单位厚度：单位温度梯度、单位厚度热扩散率热扩散率 热扩散系数热扩散系数 thermal diffusivity：温度扩散快慢：温度扩散快慢传热系数传热系数 heat transfer coefficient:两侧流体间传热强度两侧流体间传热强度换热系数换热系数 heat exchange coefficie

6、nt：固体与流体的换热强度：固体与流体的换热强度. .固体热导率测量方法固体热导率测量方法3.3.方法分类方法分类()()()()CutBarMethodFortesDeSenarmont圆棒法绝对法平板 圆盘 法棒元体法纵向热流法 比较法平板 圆盘法混合法福勃圆棒法圆柱体法绝对法 球体和椭球法稳态法平板法径向热流法同心圆球体法比较法盘状法纵向热流法圆柱体法 径向热流法直接电加热法细棒近似法矩形棒法热电法热比较器法()纵向热流法周期热流法径向热流法纵向热流法闪光法 激光脉冲法非稳态法径向热流法瞬时热流法线热源法和探针法可动热源法比较法文献：谢华清, 奚同庚. 低维材料热物理, 上海: 上海科学

7、技术文献出版社, 2008.4.4.稳态法典型方法稳态法典型方法平板法平板法/ /保护热流法保护热流法Qd TAd x适用：较低热导率、疏适用：较低热导率、疏松颗粒或复合类保温保松颗粒或复合类保温保冷材料冷材料注意：一维热流不满足，注意：一维热流不满足，径向散热导致温差偏大，径向散热导致温差偏大，从而结果会偏小。应根从而结果会偏小。应根据功率来进行散热校正。据功率来进行散热校正。5.5.非稳态法典型方法非稳态法典型方法热线法热线法/ /探针法探针法A加热线热线电电流计计V样品样品电电圧计计熱熱电偶电偶熱流熱流= q ln(t2 /t1)4 (T2 -T1)适用：中低热导率、纤维类、耐火砖或复合

8、类保温保冷材料适用：中低热导率、纤维类、耐火砖或复合类保温保冷材料注意：样品尺寸要求不能热流碰边界；热线蓄热和散热导致结果偏大；注意：样品尺寸要求不能热流碰边界；热线蓄热和散热导致结果偏大；根据样品热导率选择功率根据样品热导率选择功率温温度度( (K)K)时间时间log(t)log(t)T2T1t1t26.6.非稳态法典型方法非稳态法典型方法激光闪光法激光闪光法适用：致密固体材料适用：致密固体材料注意：结果对激光均匀性和样品厚度较为敏感。注意：结果对激光均匀性和样品厚度较为敏感。21 / 21 / 2LtpC 激光脉冲时间相对于热扩散时间可忽略激光脉冲时间相对于热扩散时间可忽略 前表面均匀吸收

9、激光脉冲前表面均匀吸收激光脉冲 样品绝热边界条件样品绝热边界条件 样品均匀和各向同性样品均匀和各向同性 样品不透明样品不透明1. 温升无限小温升无限小 激光不均匀（包括激光不对准）激光不均匀（包括激光不对准） 样品温度不准确样品温度不准确 温升过高温升过高 温升测量非线性温升测量非线性 样品厚度过小或过大样品厚度过小或过大1. 样品半透明样品半透明1. 激光不均匀（包括激光不对准）激光不均匀（包括激光不对准）在一定厚度下，中间能量高实线，测试偏大在一定厚度下，中间能量高实线，测试偏大 中间能量低虚线，测试偏小中间能量低虚线，测试偏小2.样品温度不准确样品温度不准确对不同趋势样品影响不一样对不同

10、趋势样品影响不一样使用期内的热电偶，应经常检查热电极和保护管是否良好，使用期内的热电偶，应经常检查热电极和保护管是否良好，如果发现热电偶表面有麻点、污渍、局部直径变细或保护如果发现热电偶表面有麻点、污渍、局部直径变细或保护管表面腐蚀严重等现象，应停止使用，并维修或更换新热电偶。管表面腐蚀严重等现象，应停止使用，并维修或更换新热电偶。 测温热电偶电势测温热电偶电势 与与 金属特性温接点温度相关金属特性温接点温度相关容易收到容易收到 碳、磷和其它金属的污染，且敏感碳、磷和其它金属的污染，且敏感前后热电偶的温差在前后热电偶的温差在300度较大，随温度升高逐渐降低度较大，随温度升高逐渐降低3.温升过高

11、温升过高原则上，激光能量大小不影响测量，但是，温升过大，会使影响变大原则上，激光能量大小不影响测量，但是，温升过大，会使影响变大可承受的温升为可承受的温升为5 K，-3，10K，-5尽量小的激光电压尽量小的激光电压偏差对温升的依赖偏差对温升的依赖4.温升测量非线性温升测量非线性4 um波长在不同温度的光谱辐射能量波长在不同温度的光谱辐射能量PbS的线性响应的线性响应300K时时10K温升实际测量非线性变形温升实际测量非线性变形实线理想实线理想虚线变形虚线变形不同温度下非线性导致的偏差不同温度下非线性导致的偏差实线实线10K温升温升虚线虚线5K温升温升5.样品厚度过小或过大样品厚度过小或过大2L

12、特征时间特征时间应该比激光时间大应该比激光时间大2个数量级个数量级厚度过小，结果偏小厚度过小，结果偏小厚度过大，结果偏大厚度过大，结果偏大6.样品半透明样品半透明加涂层后，结果偏小，影响小于加涂层后，结果偏小，影响小于1仍然透光，结果偏大，影响仍然透光，结果偏大，影响35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的实测曲线（1 1）无机非金属材料（陶瓷等）无机非金属材料（陶瓷等）陶瓷材料（晶体）导热系数的理论曲线陶瓷材料（晶体）导热系数的理论曲线校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数石墨和的石墨和的SiCSiC导

13、热系数曲线导热系数曲线玻璃等非晶体材料导热系数的理论曲线玻璃等非晶体材料导热系数的理论曲线1 1声子导热和光子导热的贡献声子导热和光子导热的贡献 2 2声子导热的贡献声子导热的贡献（2 2）非晶态材料）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金属导热系数的理论曲线（3 3）金属材料）金属材料金属导热系数的实测曲线金属导热系数的实测曲线4.4.工程材料的导热因子分析工程材料的导热因子分析（1 1）典型工

14、程材料导热因子构成）典型工程材料导热因子构成有效导热系数有效导热系数 的概念的概念导热、对流、热辐射三种传播方式对导热导热、对流、热辐射三种传播方式对导热性能按权重的综合贡献性能按权重的综合贡献ee(,),(,),eSSCSFSMRRGRSGCf SSCSFSMRRGRSGC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、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导热因子，绝热材料有效导热系数 可由下列导热因子组成：可由下列导热因子组成：式中式中固相导热因子，包括非金属晶态相导热因子固相导热因子，包括非金属晶态相导热因子 （声子），（

15、声子），玻璃相导热因子玻璃相导热因子 （声子），金属相导热因子（声子），金属相导热因子 （电子）（电子）辐射导热因子，包括气相辐射导热因子，包括气相( (气孔内气孔内) )辐射导热因子辐射导热因子 ，固相辐射导热因子固相辐射导热因子 （光子）（光子）气相热导导热因子（分子）气相热导导热因子（分子）气相对流导热因子（分子）气相对流导热因子（分子）热热面面冷冷面面非金属固体导热非金属固体导热( (声子）声子）气孔内气体导热和对流气孔内气体导热和对流( (分子）分子）绝热材料热传递原理图绝热材料热传递原理图热辐射（光子）热辐射（光子）微孔硅酸钙电镜照片微孔硅酸钙电镜照片气孔尺寸气孔尺寸202080

16、um80 um聚氨酯泡沫电镜照片聚氨酯泡沫电镜照片气孔尺寸气孔尺寸150150300 um300 um(2).(2).导热因子随材料密度和温度变化规律导热因子随材料密度和温度变化规律1 1绝热材料有效导热系数绝热材料有效导热系数e e 2 2绝热材料气相导热因子的贡献绝热材料气相导热因子的贡献3 3绝热材料中的辐射导热因子贡献绝热材料中的辐射导热因子贡献 4 4绝热材料对流导热因子贡献绝热材料对流导热因子贡献 5 5绝热材料中的固相导热因子贡献绝热材料中的固相导热因子贡献32316TLnRR辐射导热因子辐射导热因子因此，当温度从因此，当温度从65 538 时时 贡献贡献R典型绝热材料在典型绝热

17、材料在6565和和538538时时不同体积密度下不同体积密度下各种导热因子对各种导热因子对 的贡献的贡献 e.影响材料导热系数的物理、化学因素影响材料导热系数的物理、化学因素1.1.温度（室温以上）温度（室温以上）(1).(1).晶态无机非金属材料晶态无机非金属材料(2).(2).非晶态无机非金属材料非晶态无机非金属材料(3).(3).多孔绝热材料和轻质砖多孔绝热材料和轻质砖(4).(4).金属材料金属材料2. 2. 体积密度体积密度 ，(1).(1).陶瓷材料：陶瓷材料：500500以下，气孔率以下，气孔率P P 400.1dp0.1厘米厘米; ;7. 7. 辐射导热，辐射导热，dp=0.0

18、1dp=0.01厘米；厘米；8. 8. 辐射导热，辐射导热，dp=0.005dp=0.005厘米。厘米。5.5.气孔气孔(1).(1).气孔率气孔率(2).(2).气孔形态（封闭与连通，层状气孔）气孔形态（封闭与连通，层状气孔）(3).(3).多孔尺寸：气孔直径多孔尺寸：气孔直径 ， 强度强度 RGCKCl KCl 晶体热阻与晶粒尺寸和温度的关系晶体热阻与晶粒尺寸和温度的关系6.6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹晶粒、晶界、缺陷、微裂纹(1).(1).晶粒尺寸晶粒尺寸 ，e(3).(3).缺陷：类型、浓度缺陷：类型、浓度(2).(2).晶界尺寸与成分晶界尺寸与成分多晶多晶TiO2热处理对导热系数的影

19、响热处理对导热系数的影响(4).(4).微裂纹微裂纹7.7.与其他物性的关联性与其他物性的关联性(1).(1).理论密度理论密度，小，小， 大，则大，则 大大 (2).(2).压缩系数压缩系数x或弹性模量或弹性模量E: x 或或E大，大， 大，则大，则 大大(3).(3).原子量原子量A: : A小，小， 大，大， 大大(4).(4).晶体结合能晶体结合能DeDeDe热膨胀系数热膨胀系数熔点熔点Tm结合能大结合能大热膨胀系数热膨胀系数 小小熔点熔点Tm 高高e大大.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.1.相变的导热研究相变的导热研究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.电畴的导热研究电畴的导热研究Thermal diffusivity and dielectric constant of doped PbNb2O6引自引自High Temp.-High Press. 1985. Vol.17, p3653.3.晶态物质导热的非晶态行为晶态物质导热的非晶态行为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