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1、2021/3/10,讲解：XX,1,材料的热性能Thermal Properties of Materials,杜宇雷材料科学与工程学院,2021/3/10,讲解：XX,2,自由电子对热容的贡献,自由电子对热容的贡献仅在温度很低或很高的情况下才需考虑。？,2021/3/10,讲解：XX,3,材料的导热性热传导,一块材料温度不均匀或两个温度不同的物体互相接触，热量便会自动地从高温度区向低温度区传播，这种现象称为热传导。,2021/3/10,讲解：XX,4,傅里叶导热定律,热导率（导热系数）,金属合金非金属液体绝热材料大气压气体,2021/3/10,讲解：XX,5,导温系数(热扩散率),a/（cp
2、）(m2s)。,物理意义,表征物体热量传输能力的重要参数,热阻R 热量传递所受阻力。,2021/3/10,讲解：XX,6,气体靠分子间的直接碰撞来传递热量。,固体？,导热的微观机制,2021/3/10,讲解：XX,7,固体材料导热的微观机制,2021/3/10,讲解：XX,8,Cv：单位体积气体分子的比热-单位体积中声子的比热； v ：气体分子的运动速度-声子的运动速度； l：气体分子的平均自由程-声子的平均自由程。Cv在高温时，接近常数，在低温时它随T 3变化；声速v 为一常数。,2021/3/10,讲解：XX,9,2021/3/10,讲解：XX,10,2021/3/10,讲解：XX,11,
3、2021/3/10,讲解：XX,12,2021/3/10,讲解：XX,13,2021/3/10,讲解：XX,14,2021/3/10,讲解：XX,15,2021/3/10,讲解：XX,16,2021/3/10,讲解：XX,17,2021/3/10,讲解：XX,18,2021/3/10,讲解：XX,19,2021/3/10,讲解：XX,20,由于非晶体材料特有的无序结构，声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级，因而组分对其影响小。,说明： 非晶体的声子导热系数 在所有温度下都比晶体小； 两者在高温下比较接近； 两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。,2021/3/10,讲解：XX,21,202
4、1/3/10,讲解：XX,22,2021/3/10,讲解：XX,23, 热流的方向平行于各层，两相的温度梯度相同，则平行系统的热阻率的倒数等于各层热阻率的倒数之和： =V1 1+V2 2 当两相的热导率相差很大时，热主要由传热较好的相传递 ： =V1 1 当热流方向与平行层垂直时，通过所有各层的热流密度相同，但每一相中的温度梯度不同，总热阻率由各项热阻率的加权平均给出，即 1 / =V1 / 1+V2/ 2系统的热导率几乎只取决于导热较差的相，当第一相导热差时： 1 / =V1 / 1,2021/3/10,讲解：XX,24,2021/3/10,讲解：XX,25,例如：分散相为气相低温 2 /
5、11高温，辐射在传热中开始发挥作用，此时，通过材料中气孔以辐射传递的热量不可忽略，辐射对传热贡献正比于气孔大小和温度三次方。 高温，大的气孔不仅不降低热传递，而且在某种程度上，随着温度的增加，大的气孔增加有效热导率。 无论在高温或低温，小的气孔均阻碍热流动，在多相多孔材料中，热传递的模式可能以很复杂的方式随温度变化。,2021/3/10,讲解：XX,26,金属热导率,金属的热导率可以归结为自由电子的贡献。套用理想气体热导率公式得：,其中CV是电子气热容，v是电子运动的平均速度，是电子平均自由程，是电子弛豫时间。,2021/3/10,讲解：XX,27,计算比值：,应用经典统计的结果：,有：,(1
6、.5.3),(1.5.4),(1.5.5),(1.5.6),2021/3/10,讲解：XX,28,这就是Wiedemann-Franz关系，该常数被称为Lorenz数（Lorenz number）。,2021/3/10,讲解：XX,29,纯金属的导热：,金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：,金属的导热系数：,(晶格振动的加强干扰自由电子运动),2021/3/10,讲解：XX,30,合金：金属中掺入任何杂质将破坏晶格的完整性， 干扰自由电子的运动,金属的加工过程也会造成晶格的缺陷,合金的导热：,(温度升高、晶格振动加强、导热增强),如常温下：,黄铜：70%Cu, 30%Zn,2021/3
7、/10,讲解：XX,31,2021/3/10,讲解：XX,32,2021/3/10,讲解：XX,33,2021/3/10,讲解：XX,34,2021/3/10,讲解：XX,35,2021/3/10,讲解：XX,36,考虑承受的最大温差与最大热应力、材料中的应力分布、产生的速率和持续时间，材料的特性（塑性、均匀性、弛豫性），裂纹、缺陷、散热有关。,2. 第二热应力断裂抵抗因子R,2021/3/10,讲解：XX,37,2021/3/10,讲解：XX,38,h实测值,2021/3/10,讲解：XX,39,2021/3/10,讲解：XX,40,骤冷时的最大温差只使用于20的情况。水淬玻璃: =0.01
8、7J/(cmsK), h=1.67J/(cm2sK), 20 由 =hrm/得： rm0.2cm，才可以用 Tmax= f (1 )/ E 即玻璃的厚度小于4时，最大热应力随玻璃的厚度减小而减小。,2021/3/10,讲解：XX,41,对流和辐射传热时的*max *max=0.31rmh/ 承受的最大温差: Tmax= max (1 )/ E *max= / max得： Tmax= f (1 )/ E 1/ 0.31rmh R= f (1 )/ E (第二热应力断裂抵抗因子) 单位：J/(cms)考虑形状因子时： Tmax=S R 1/ 0.31rmh,2021/3/10,讲解：XX,42,2
9、021/3/10,讲解：XX,43,2021/3/10,讲解：XX,44,2021/3/10,讲解：XX,45,最大冷却速率 ：|dT/dt|max= /cp f (1 )/ E 3/ rm2第三热应力因子： R= /cp f (1 )/ E = R/ cp 最大冷却速率可以简化为： |dT/dt|max= R 3/ rm2,2021/3/10,讲解：XX,46,2021/3/10,讲解：XX,47,2021/3/10,讲解：XX,48,2021/3/10,讲解：XX,49,2021/3/10,讲解：XX,50,材料的热性能Thermal Properties of Materials,杜宇雷
10、材料科学与工程学院,2021/3/10,讲解：XX,51,热电材料是一类能够实现热能和电能之间直接转换的特殊功能材料，它具有Seebeck效应,Peltier效应以及Thomson效应。,材料的热电性与热电材料,2021/3/10,讲解：XX,52,Seebeck效应,当两种不同的导体或者半导体在两个接触点存在温差时，如果是闭合回路的话就会产生电流，而如果是断路的话就会产生电势差，此即为Seebeck 效应。,2021/3/10,讲解：XX,53,Peltier效应,当两种不同的导体或者半导体所形成的闭合回路通以电流的时候，会在两个接触点产生一端吸热一端放热的现象，此即为Peltier效应。,
11、2021/3/10,讲解：XX,54,exothermic,Thomson效应,当单一导体或半导体在两端有温差以及有电流通过时，会在此导体或半导体上产生吸热或放热的现象，此即为Thomson效应。,2021/3/10,讲解：XX,55,生活中的热电效应应用,2021/3/10,讲解：XX,56,（Radioisotope thermoelectric generators） RTGs 应用于航天器,热电效应的应用,2021/3/10,讲解：XX,57,Peltier效应的物理机制,电流可以归为电子的运动。在不同的导电材料中，电子所处能级并不相同。若从低能级运动至高能级，就需要将部分动能转化为势
12、能，速度降低。微观运动速度是温度的表征，表现在宏观上，就是温度的下降。反之则是温度升高。在下图中，红绿色区域分别表示不同的材料，电子在绿色部分能级较低，红色部分能级高，因此电流从绿色流至红色时，在接合处就是降温区（上），由红至绿的接合点则为升温区（下）。,2021/3/10,讲解：XX,58,热电材料的评估标准,热电材料的性能采用无量纲ZT值的大小来衡量，其中Z为热电品质因素（figure of merit）；T为绝对温度。,a- Seebeck Coefficientr- Electrical Resistivityk- Thermal Conductivity ke Electronic L0T/ (W-F relation)kg Lattice,2021/3/10,讲解：XX,59,家用冰箱的能量转换效率（卡诺系数）：30 大型中央空调设备的卡诺系数： 90 现有热电材料(ZT 1.0)的卡诺系数： 10,2021/3/10,60,感谢您的阅读收藏，谢谢！,