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1、现代热物性测试方法 主要内容 1. 热物性测试方法概述 2. 物质的比热容与规律性 3. 比热的测试方法和装置 4. 物质的热导率及其规律性 5. 热导率测试方法和装置 6. 热扩散率的测试方法和装置 7 热膨胀系数测定方法 参考文献 胡芃 ，陈泽韶. 量热技术和热物性测定【第二版】M. 合肥：中国 科学技术大学出版社. 2009. 黄素逸，周怀春.现代热物理测试技术M.北京：清华大学出版社 .2008. 张靖周.高等传热学M.北京：科学出版社.2009. 奚同庚. 无机材料热物性学M . 上海科学技术出版社.1981. 蔡明忠. 金属低温热学和电学性质M. 北京: 冶金工业出版社.1990.
2、 中国金属学会，中国有色金属学会.金属物理性能及测试方法M.北京 ：冶金工业出版社. 曹玉璋，邱绪光.实验传热学M.北京：国防工业出版社.1998. 刘静.微米/纳米尺度传热学M.北京：科学出版社.2001. 材料热物性测试实验指导书 . 杭州精科仪器有限公司。 美 Y.S. 杜洛金著. 奚同庚 王梅华等译: 固体热物理性质导论理 论和测量M.中国计量出版社.1987 . K.D. Magic et al. Compendium of Thermophysical Property Measurement Methods. New York：plenum Press , 1984 J .E.P
3、arrott, A.D.Stuckes. Thermal Conductivity of solids. London,1975 . 有关热物理性能测试的科研项目 熔盐相变蓄热材料热物性测试新方法研究.国家自然科学基 金项目 高密度电子封装传热过程的计算机仿真与优化及无铅焊料 和导电胶的热物性测定.中瑞政府间科技合作项目 高密度电子封装传热的全息仿真及无污染焊料的热物性测 试.高等学校博士学科点专项科研基金 金属相变过程固、液相熔点热物性动态测定方法.国家自 然科学基金项目 利用相界面移动速率测定热物性的研究. 国家教委回国人 员基金项目 有色金属及合金熔点温度下导热系数测定方法和装置.中 国
4、有色金属工业总公司 1. 序言 （1）什么是热物理性能（热物性） ？ 材料的热物理性能 (thermophysical property) 是指材 料在热学过程中所表现出来的反映各种热力学特性的参 数的总称，它系统地反映了材料的载热能力和热输运能 力。 密度、比热、热导率、热扩散率、熔解热、热膨胀 系数、粘度、表面发射率与吸收率、熔点、沸点 热物性举例 热导率（导热系数，thermal conductivity): , W/(m.K), （经验感知）其值小，隔热，节能，如炉壁 导温系数 （热扩散率，thermal diffusivity): a ,m2/s，其 值大，均温快，温差小 比热（sp
5、ecific heat): c，值大，蓄热多，如热风炉；值 小，升温快，如轻质炉衬 热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE)： , 值大，热应力大: 双金属测温，热失配现象； 表面发射率（emissivity)： 值大，辐射传热多，炉内 壁加涂料,外壁涂银粉隔热，无惰性炉 （2） 为什么要研究热物性参数？ 目标：揭示物质的载热能力和热输运能力。 意义： p评价、衡量材料能否适用于具体热过程的技术依据； p对热过程进行研究、计算和工程设计的关键参数； p揭示与研究材料的相变、缺陷、微裂纹和晶化等微观 结构变化的重要手段。 （3）什么是热物性学？ 热
6、物性学是研究物质的热物理性质的理论。 热物性的影响因素： 化学成分，物质形态, 结构，晶格振动，分子热运动， 杂质分布，气孔率，气孔大小及分布 热物性学研究内容： 宏观热物性与微观结构的联系； 不同工作状态下的变化规律； 热物性测定方法（包括测试方法的物理模型、测试原理 、试验装置、数据处理、误差分析） （4） 热物性测试的重要性 普遍性 能源动力工程、机械工业、化工工业、电力输运、电子 技术、石油热采与输运、服装、农林、食品、建筑、航空 航天、生命科学与工程、人体科学 基础性 一切热设计和研究具体热过程的基础；工程热物理专业 基础课程 开拓性 经济性 节约能源、提高设备热效率、发掘新材料、认
7、识新领域 应用举例 元器件的热噪声、响应时间、及各封装器件的膨胀匹配均 与热物性相关； 大功率激光器的晶体工作物质导热与导温性能决定其散热 速率； 晶体的导热、导温性能是晶格振动的直接反映，通过对其 研究，可获得声子运动、声子间碰撞、散射和声子与晶体缺陷 相互作用的大量信息。 比热容是研究晶格振动、电子分布、磁性材料能级以及分 子中有序-无序的有力工具。 比热容和热膨胀出现的异常，为研究包括超导相变、磁导 相变、铁电相变和部分有序-无序相变在内的二级相变提供了 重要的判据。 热物性异常研究意义 铁电体导热系数在居里点出现不连续突变（发生铁电 相变），故导温系数与导热系数可作为研究铁电性能材 料
8、铁电相变和确定相变温度（居里点）的一种新方法。 （5） 热物性测试的特点 属于传热逆问题 影响热物性的因素很多，很复杂 不能进行精确计算，主要依靠实验测定 （6）微纳米材料热物性参数 对于块状材料，其热物性与几何参数无关，是材料的本质属性。 但在微纳米尺度范围，随着尺度和维度的减少，表面（界面）、缺陷和杂 质等因素对材料特性的影响已不能忽略，微纳米材料的热物性如比热、热 导率、热扩散系数、熔点、热膨胀系数等往往与宏观体系存在显著差异。 u 比热容：量子尺寸效应将导致内部声子色散关系由连续变为离散，使 德拜关于固体比热容在低温时遵守的T3规律不再适用；近邻原子数目通常 小于内部原子的配位数，使得
9、表面原子的振动存在软化现象，即振动频率 衰减。块状材料表面原子所占百分数可忽略不计，振动软化现象不明显。 但对于纳米尺度的晶体，表面原子所占的百分比较大，甚至占据了主要地 位，因此必须考虑表面原子振动软化因素的影响。 u 热导率：傅里叶定律不适合分析高温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和 厚度区域内的热传导问题，在微尺度区域内，晶格振动或声子的热传导表 现为辐射传热形式。oltzmann输运理论被公认为是最具普适性和最有效的工 具（几乎所有宏观输运方程如傅里叶定律、Ohm定律、Fick定律均可由该方 程导出） u 表面原子具有的相对较高的表面能使纳米材料处于亚稳状态，热稳定性 降低，表现为德拜温度
10、降低，熔点降低，超导温度升高，晶格振动比热增 加。 实验与论文 论文（五选二） p 非均相材料导热系数测定方法探讨 p 薄膜材料热扩散率测定方法探讨 p 熔融盐相变材料导热机理与测试方法探讨 p 微纳米管状材料导热系数测定方法探讨 p 相变潜热测定方法探讨 实验与论文 实验（四选三） p 金属比热容测试研究 p 金属线膨胀系数测试研究 p 液体粘度测试研究 p 固体导热系数测定研究 2. 比热容经典理论及测试方法 2.1 热容概述 2.2 热容经典理论 2.3 测试方法 2.1 热容概述 单位质量物体温度升高1K所必需的热量，J/(kg.K)。 定压比热容 定容比热容 摩尔定压比热容与定容比热
11、容间的关系 （1）理想气体比热容 由分子平动比热容，转动比热容，振动比热容组成 根据能量均分原则，物质分子每一个自由度均具有 相同的平均平动动能、平均转动动能、平均振动动能， 且等于kT/2.(k波尔兹曼常数) 1摩尔理想气体所具有的能量 则定容比热容、定压比热容表述为 2.2 热容经典理论 适用范围 建立在能量均分定理基础上的定容热容的理论值， 仅在高温低密度时才能与实验事实相吻合，在低温高密 度区域内，只有量子理论才能对物体定容热容的数值做 出与试验结果一致的预言。 （2）固体比热容（适用于原子晶体） 组成 晶格振动热激发贡献+晶格中自由运动的电子贡献 对于铁磁体材料，还应包含磁的贡献 峰
12、值与突变 相变、居里点、有序-无序转变、分子旋转 变化、顺磁盐的自旋状态间或电子激发态间的转变 l晶格比热容经典理论 杜隆铂替定律（能量均分原理，比热容与温度无关 ） 一个含有NA个原子的固体具有3NA-6个自由度，由 于NA6,因此可认为是3NA个自由度，故总能量的平均值 为 E0固体原子处于平衡位置时的能量，为固体的结合 能。则定容比热容 适用范围：常温、高温。但无法解释温度趋于0K时Cv0 爱因斯坦比热容理论（基于量子理论，晶格振动具有 相同频率） 将NA个将晶格振动看成3NA个具有相同频率的 孤立简谐振子，应用普朗克量子理论，每个原子在一个 自由度上的平均振动能量为 爱因斯坦比热容理论
13、 当温度TE，cv=3NAk=3R=Const; 当温度T分子或原子碰撞机构 1）分子导热机构 分子的碰撞和扩散（分子的热运动）。 按理想气体分子运动的理论 及气体温度与分子运动平均 动能间的关系，可推导出分 子导热机构的数学表达式： 式中： R 气体常数；T绝对温度 ；M摩尔质量。 2）电子导热机构 电子间的相互作用和碰撞。 (1)电子导热机构的表达式： 其中：n0每单位体积的电子数；cel每个电子的热容 ;vel电子速度； lel电子平均运动自由程； (2)电子导热系数的理论曲线： 电子导热系数随温度变化趋势图 很低温度 中等温度 很高温度 （3）自由电子模型，vel=vF（费米速度），电
14、子平均 运动自由程可用电子寿命来表示，lel=vF,则电子导热可 表述为： （4）导电率 Drude模型 使用自由电子模型，电子传热和导电具有相同的电子寿命， 则有 L0洛伦兹数。k波尔兹曼常数 金属中的自由电子既是导热的载体，也是导电的载体，因 此金属导热性与导电性密切相关。 Wiedemann-Franz定律应用要点 Wiedemann-Franz定律仅在高温和极低温度下才与实验 符合.在中间温度区域，洛伦兹数与温度有关，不是常数 。但Wiedemann-Franz给出了自由电子模型的重要结论， 可通过此定律，通过测量导电率估算热导率。 此定律可能仅对块状材料成立。对于微纳米金属材料 ，其
15、洛伦兹数与其块状材料相差甚远。因此用块状材料 的洛伦兹数和微纳米金属材料达到导电率来估算金属材 料的热导率可能会产生极大偏差。 通常把晶格振动的“量子”称为“声子”。 （1）声子导热系数的数学表达式： 3）声子导热机构 晶格点阵或者晶格的振动（声波辐射）。 （2）变化规律 v:与弹性模量E和密度有关，而温度与E有影响，因此， 随温度升降略有变化。从简便起见，可认为vconst。 cv： 在低温下，比热容cv影响起决定作用，即绝对零度时 为零；随着温度的增加，比热容按T3的比例增加；在 高温中，cv趋于常值。 l：在较高温度下（T德拜温度），l与温度倒数1/T成正 比，（温度升高，声子振动加剧，
16、相互作用增强）。在 较低温度下，lexp(/T)，温度下降，l迅速增加,在很 低温度下，l达到其上限值晶粒的直径。（低温下， 影响声子相互作用的短波数急剧下降） 对于介电体，声子导热不是唯一热传导机构，在介电体中 除了振动能外，还有一小部分较高频率的电磁辐射能， ErT4。温度低时，电磁辐射能在总的能量中所占的比重非 常小，可忽略不计，温度高时一定要考虑。 （1）定义： 光子导热：由较高频率的电磁辐射所产生的导热过程称为 光子导热。 4）光子导热机构 E黑体单位体积辐射能；c光速；斯蒂芬-波尔兹曼常 数； n折射率。 T一定时，光子导热主要决定于它的l。对于不透明的材料， 即l0 ,光子导热可忽略。（如若l大到足以与系统尺度相比拟
