固体材料热导率测量培训讲义

固体材料热导率的测量技术与理论分析目录前言1.热的微观理论Ⅰ.固体导热机制概述2.导热载体类别3.导热系数理论曲线的实验验证7.与其他物性的关联性4.工程材料导热因子的理论分析Ⅱ.影响材料导热系数的物理、化学因素1.温度2.体积密度4.化学成分3.晶体结构5.气孔6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹目录Ⅲ.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.相变的导热研究5.微裂纹的导热研究2.电畴的导热研究3.晶态物质导热的非晶态行为4.晶界状态的导热研究Ⅳ.热功能材料热性能的优化和设计前言热物理性质输运性质：热导率、热扩散率、热膨胀、热辐射、粘度热力学性质：比热、热焓热物性学研究范畴1.热物性测试方法和技术研究2.热物性物理模型和机制研究3.热物性变化规律及影响因素研究4.宏观热物性与微观结构、显微组织、化学成分间关系研究5.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航天技术—宏观热障IC和IT技术—微观热障能源技术和动力工程—热装置的热设计热过程的热分析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1.基本概念2.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，需要考虑如下因素：1）材料的物理特性2）把试样加工成所需几何形状的可能性和难易程度3）所需的测试准确度和精度4）测试周期的长短5）建立测试装置所需的时间和资金。热导率导热系数thermalconductivity：单位温度梯度、单位厚度热扩散率热扩散系数thermaldiffusivity：温度扩散快慢传热系数heattransfercoefficient:两侧流体间传热强度换热系数heatexchangecoefficient：固体与流体的换热强度Ⅰ.固体热导率测量方法3.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:上海科学技术文献出版社,2008.4.稳态法典型方法——平板法/保护热流法QdTAdx适用：较低热导率、疏松颗粒或复合类保温保冷材料注意：一维热流不满足，径向散热导致温差偏大，从而结果会偏小。应根据功率来进行散热校正。5.非稳态法典型方法——热线法/探针法A加热线电流计V样品电圧计熱电偶熱流λ=q・ln(t2/t1)4π(T2-T1)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；根据样品热导率选择功率温度(K)时间log(t)T2T1t1t26.非稳态法典型方法——激光闪光法适用：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。21/21/2LtpC理想状态1.激光脉冲时间相对于热扩散时间可忽略2.前表面均匀吸收激光脉冲3.样品绝热边界条件4.样品均匀和各向同性5.样品不透明6.温升无限小影响测试结果的因素1.激光不均匀（包括激光不对准）2.样品温度不准确3.温升过高4.温升测量非线性5.样品厚度过小或过大6.样品半透明1.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，测试偏大中间能量低－－－虚线，测试偏小2.样品温度不准确对不同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，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。测温热电偶电势与金属特性温接点温度相关容易收到碳、磷和其它金属的污染，且敏感前后热电偶的温差在300度较大，随温度升高逐渐降低3.温升过高原则上，激光能量大小不影响测量，但是，温升过大，会使影响变大可承受的温升为5K，-3％，10K，-5％尽量小的激光电压偏差对温升的依赖4.温升测量非线性4um波长在不同温度的光谱辐射能量PbS的线性响应300K时10K温升实际测量非线性变形实线－－－理想虚线－－－变形不同温度下非线性导致的偏差实线－－－10K温升虚线－－－5K温升5.样品厚度过小或过大2L特征时间应该比激光时间大2个数量级厚度过小，结果偏小厚度过大，结果偏大6.样品半透明加涂层后，结果偏小，影响小于1％仍然透光，结果偏大，影响3％～5％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）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校正到理论密度后的多晶氧化物的导热系数石墨和的SiC导热系数曲线玻璃等非晶体材料导热系数的理论曲线1—声子导热和光子导热的贡献2—声子导热的贡献（2）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金属导热系数的理论曲线（3）金属材料金属导热系数的实测曲线4.工程材料的导热因子分析（1）典型工程材料导热因子构成有效导热系数的概念——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ee(,,),(,),,eSSCSFSMRRGRSGCfSSCSFSMRRGRSGC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可由下列导热因子组成：式中—固相导热因子，包括非金属晶态相导热因子（声子），玻璃相导热因子（声子），金属相导热因子（电子）—辐射导热因子，包括气相(气孔内)辐射导热因子，固相辐射导热因子（光子）—气相热导导热因子（分子）—气相对流导热因子（分子）热面冷面非金属固体导热(声子）气孔内气体导热和对流(分子）绝热材料热传递原理图热辐射（光子）微孔硅酸钙电镜照片气孔尺寸20～80um聚氨酯泡沫电镜照片气孔尺寸150～300um(2).导热因子随材料密度和温度变化规律1－绝热材料有效导热系数λe2－绝热材料气相导热因子的贡献3－绝热材料中的辐射导热因子贡献4－绝热材料对流导热因子贡献5－绝热材料中的固相导热因子贡献32316TLnRR辐射导热因子因此，当温度从65℃538℃时贡献R典型绝热材料在65℃和538℃时不同体积密度下各种导热因子对的贡献eⅡ.影响材料导热系数的物理、化学因素1.温度（室温以上）(1).晶态无机非金属材料(2).非晶态无机非金属材料(3).多孔绝热材料和轻质砖(4).金属材料2.体积密度，(1).陶瓷材料：500℃以下，气孔率P40％，可用下式计算有气孔材料导热系数(2).绝热材料ep)1(psps为达到理论密度下的导热系数在每一温度下都存在对应于最小值的最佳密度范围,而且随着温度升高而增大emm典型绝热材料的在不同温度下随体积密度ρ变化的曲线3.晶体结构结构越复杂，值就越小e(1).晶体与非晶体的影响(2).单晶与多晶的影响(3).单晶体的各向异性(4).结构相似条件下，多元氧化物的比单元氧化物更小eAl6Si2O13MgAl2O4Al2O3MgO结构复杂程度★★★★★★★TC(w/(mK)100oC6.114.930364.化学成分化学成分越复杂杂质含量越多形成固溶体相越多eAu-Ag和MgO-NiO固溶体的导热系数Cr2O3+Al金属陶瓷，形成Cr2O3+Al2O3固溶体e组成化合物元素的分子量越接近，晶格振动非简谐性化合物的e氧化物名称气孔率（%）导热系数（W/(mK)）氧化物中金属元素的原子量金属元素与氧的原子量之差100℃600℃1000℃1200℃BeO4.7~9.920944.7919.316.459.016.99021946.8820.317.25MgO2.8~8.13411.016.705.8624.318.3103611.516.996.11Al2O34.5~7.3288.715.865.2726.9810.98030.39.136.155.53CaO8.7513.97.58----40.0824.1015.28.29----NiO25.79.24.193.14--58.7142.71012.55.694.48--ZrO212.3~141.671.801.972.0591.2275.2201.972.0932.302.39表中的结果表明：二元化合物的导热系数随着所组成的两种元素原子量差值的增大而减小。这种效应随着温度的升高而逐渐减弱，这可能是因为随着温度的升高，化合物中两种元素原子量不等而引起的结构的不对称性逐渐有所改善。气孔尺度和温度对气体导热和辐射导热的影响1.ZrO2；2.辐射导热，dp=0.5厘米;3.辐射导热，dp=0.1厘米；4.气体导热，dp=0.005厘米;5.气体导热，dp=0.01厘米;6.气体导热，dp0.1厘米;7.辐射导热，dp=0.01厘米；8.辐射导热，dp=0.005厘米。5.气孔(1).气孔率(2).气孔形态（封闭与连通，层状气孔）(3).多孔尺寸：气孔直径，强度RGCKCl晶体热阻与晶粒尺寸和温度的关系6.晶粒、晶界、缺陷、微裂纹(1).晶粒尺寸，e(3).缺陷：类型、浓度(2).晶界尺寸与成分多晶TiO2热处理对导热系数的影响(4).微裂纹7.与其他物性的关联性(1).理论密度ρ，ρ小，大，则大(2).压缩系数x或弹性模量E:x或E大，大，则大(3).原子量A:A小，大，大(4).晶体结合能DeDeDe热膨胀系数熔点Tm结合能大热膨胀系数小熔点Tm高e大Ⅲ.导热性能作为研究材料微观结构的应用实例1.相变的导热研究ThermaldiffusivityanddielectricconstantofLiTaO3singlecrystal,versustemperature引自Ferroelectrics,1981.Vol.38,p869Thermaldiffusivity,thermalconductivity,anddielectricconstantofPbTiO3ceramic,versustemperature引自Ferroelectrics,1981.Vol.38,p869ThermaldiffusivityanddielectricconstantofdopedPZT(45/55)ceramic,versustemperature引自Ferroelectrics,1981.Vol.38,p869SpecificheatofdopedPZT(96.5/3.5)ceramic,versustemperatureThermalexpansivityofdopedPZT(96.5/3.5)ceramic,versustemperatureSpecificheatofdopedPZT(97.5/2.5)ceramic,versustemperature引自Ferroelectrics,1981.Vol.38,p8692.电畴的导热研究ThermaldiffusivityanddielectricconstantofdopedPbNb2O6引自HighTemp.-HighPress.1985.Vol.17,p3653.晶态物质导热的非晶态行为TemperaturedependenceofthethermalconductivityofSr0.52Ba0.48Nb2O