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1、固体材料导热性能的机制、影响因素及优化,奚同庚,中国科学院上海硅酸盐研究所,1959 ：毕业于北京科技大学,同年起在中科院上海硅酸盐研究所工作 1963 ：助研，课题组长 1981 ：副研，室主任 1985 ：研究员、博导 19831991： 副所长 研究方向：材料热物性学，热功能材料，能源技术论文：已发表150余篇，其中国外发表70余篇（J. Appl. Phy., Trans.J.Br. Ceram. Soc.,Ferroelectrics, J. Mat., Sci. Let., Inter. J. Thermophysics, Thermochimica Acta, 等）获奖：8项成果
2、奖国家科技进步奖3项，二等奖2项，三等奖1项 中科院进步奖5项，一等奖1项，二等奖4项,奚同庚 简历,著作：12本（无机材料热物性学，高温涂层，热分析质谱法，固体热物理性质导论理论与测量等） 兼职：1985年起先后兼任中国科技大学、同济大学、华东理工大学、上海科技大学、香港中文大学兼职教授 学会：上海市国家突出贡献专家协会副会长 中国计量学会理事、热物理专业委员会副主任 上海计量测试学会理事长 ATPC 国际热物性会议常务理事 中科院能源委员会委员上海绝热工程和材料应用委员会主任其它：1988年被国家人事部授予“中青年突出贡献专家”称号1988年评为上海市劳动模范1989年国防科工委授予献身国
3、防科技事业荣誉奖章19932003年上海市第八、第九届政协委员,目录,前言,1.热的微观理论,.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,.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,.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, .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：导热系数、导温系数、热膨胀
4、、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.热的微观理论,热的动力学理论热是一种关联到分子、原子、电子等以及其组成部分的移动、转动和振动的能量,2.导热载体类别,(1).分子导热分子碰撞,(2).电子导热电子碰撞,
5、(3).声子导热声子碰撞,(4).光子导热光子碰撞（较高频率的电磁辐射能）,介电体中：热量传导是由晶格振动（格波）实现的波动说,格波的能量传导又具有量子化特征量子说,格波传递能量的速度为该物质中的等效声速，因此把量子化的以等效声速传递的晶格振动称为“声子”,因此、导热的机理必然与组成物质的微观粒子的运动与相互作用有关。,.固体导热机制概述,对于以上四种导热载体的导热系数都用一个通式表示：,导热载体的体积热容,导热载体在物质内传递速度,导热载体相互碰撞的平均自由程,3.导热系数理论曲线的实验验证 随T 变化规律,对方程（1）各项与温度的关系，求出 理论曲线,实测的 值曲线,对比验证,（1）无机非
6、金属材料（陶瓷等）,陶瓷材料（晶体）导热系数的理论曲线,单晶氧化铝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,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
7、权重的综合贡献,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2080 um,聚氨酯泡沫电镜照片 气孔尺寸150300 um,(2).导热因子随材料密度和
8、温度变化规律,1绝热材料有效导热系数e 2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,辐射导热因子,因此，当温度从65 538 时,贡献,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,.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P 0.1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
9、,(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,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 ，,(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，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,热膨胀系数 熔点Tm,结合能大,热膨胀系数 小 熔点Tm 高,大,.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,T
10、hermal diffusivity and dielectric constant of LiTaO3 single crystal,versus temperature 引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869,Thermal diffusivity, thermal conductivity, and dielectric constant of PbTiO3 ceramic, versus temperature 引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869,Thermal diffusivity and dielectric c
11、onstant of doped PZT(45/55) ceramic, versus temperature 引自Ferroelectrics,1981. Vol.38, p869,Specific heat of doped PZT(96.5/3.5) ceramic, versus temperature,Thermal expansivity of doped PZT(96.5/3.5) ceramic, versus temperature,Specific heat of doped PZT(97.5/2.5) ceramic, versus temperature,引自Ferro
12、electrics,1981. Vol.38, p869,2.电畴的导热研究,Thermal diffusivity and dielectric constant of doped PbNb2O6 引自High Temp.-High Press. 1985. Vol.17, p365,3.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 conducti
13、vity of Sr0.45Ba0.55Nb2O6 along an unspecified direction3,Temperature dependence of the specific heat ofSr0.52Ba0.48Nb2O6 single crystal.,引自 J. Appl. Phys. 71(1),1,1992,Temperature dependence of the phonon mean free path of Sr0.52Ba0.48Nb2O6 single crystal. :la;:lc;:calculated from Ref.3. The dashed
14、 curve denotes the phonon mean free path of amorphous SiO2 calculated from sound velocity4 and thermal data5引自 J. Appl. Phys. 71(1),1,1992,4.晶界状态的导热研究,Thermal conductivity of the main crystalline phase (KG) and grain boundary phases (KB) of hot-pressed Si3N4 materials 引自Trans. J. Br. Ceram. Soc.,82,175,1983,5.微裂纹的导热研究,热压Fe2TiO5在不同热处理条件下的导温系数曲线 a)热压（未退火） b)1100oC退火4小时c) 1100oC退火16小时 d) 1100oC退火32小时,
