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1、材料物理性能学材料物理性能学-04材料的热学性能材料的热学性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 马永昌马永昌 第四章第四章 材料的热性能材料的热性能n n4.1 4.1 热力学概念简介热力学概念简介n n4.2 4.2 材料的热容材料的热容* *n n4.3 4.3 材料的热膨胀材料的热膨胀* *n n4.4 4.4 材料的导热性材料的导热性* *n n4.5 4.5 材料的热稳定性材料的热稳定性n n4.6 4.6 材料的热电性材料的热电性* *n n4.7 4.7 材料热导率的测量方法材料热导率的测量方法本章参考书本章参考书n n相变和临界现象于渌 郝柏林 陈晓松 著2005年7月，科
2、学出版社材料的热学性能是宏观物质的体效应体效应，能够反映材料内部的结构特性，热容、热导率、热膨胀和热应力都是材料工程应用中不可忽略的方面，值得人们进行深入探索研究。n n热热 使得我们现实世界中物质得以展现出其多使得我们现实世界中物质得以展现出其多样性的一面。样性的一面。n n我们无时无刻不在面对着我们无时无刻不在面对着 热热n n水的三态；水的三态；n n航天器穿越地球大气层（耐高温和高热导率）；航天器穿越地球大气层（耐高温和高热导率）；n n超导和超流现象；超导和超流现象；n n热胀冷缩效应在我们现实生活中的重要性；热胀冷缩效应在我们现实生活中的重要性；n n电子器件多数都有一定的工作温度
3、范围。电子器件多数都有一定的工作温度范围。4.1 热力学概念简介热力学概念简介n n热容n n相变（宏观固态物质）n n自由度n n热力学温标n n熵n n玻尔兹曼分布n n 自由度是物体运动方程中可以写成的独立坐标数。自由度是物体运动方程中可以写成的独立坐标数。 系统中常常存在着各种系统中常常存在着各种 约束，使得这约束，使得这 3N3N（N N个原子个原子3D3D空间）个坐标并不都是独立的。比如，空间）个坐标并不都是独立的。比如， 实空间实空间N N个原子理想气体分子体系，自由度为个原子理想气体分子体系，自由度为3N3N；而运动于；而运动于平面的一个质点或者说单原子，其自由度为平面的一个质
4、点或者说单原子，其自由度为 2 2。 自由度自由度 (degree of freedom)分子平均平动动能分子平均平动动能 单原子分子平均能量单原子分子平均能量n n自由度这个概念，更主要是应用于早期材料的热学特性理论模型。4.2 固体材料的热容固体材料的热容n n（1）理论模型的发展n n（2）从材料热容贡献者角度分类（1）理论模型的发展）理论模型的发展n n经典热容理论Dulong-Petit定律n n爱因斯坦的量子热容理论n n德拜量子热容理论n n对德拜理论的完善和发展Dulong-Petit 定律定律n n早在早在1919世纪，世纪，DulongDulong-Petit -Petit
5、 把气体分子的热容理论把气体分子的热容理论直接用于固体，并用经典统计力学处理晶体热容直接用于固体，并用经典统计力学处理晶体热容n n若晶体有若晶体有 N N 个原子，则总的平均能量为个原子，则总的平均能量为3NkT3NkT，摩尔热容为：摩尔热容为：C CmVmV。( (能量按自由度均分能量按自由度均分) )实验发现，它只适用于部分金属和有限温度范围。实验发现，它只适用于部分金属和有限温度范围。按照按照DulongDulong-Petit-Petit定律：定律：晶体的摩尔热容是一个随温度固定不变的常数晶体的摩尔热容是一个随温度固定不变的常数爱因斯坦热容模型爱因斯坦热容模型n n爱因斯坦认为晶体中
6、每个晶格原子都在独立地作爱因斯坦认为晶体中每个晶格原子都在独立地作振动，并且振动频率都为振动，并且振动频率都为v v。他引入了晶格振动能。他引入了晶格振动能量量子化的概念，把原子振动视为谐振子。量量子化的概念，把原子振动视为谐振子。n n量子力学认为，谐振子的振动能量为：量子力学认为，谐振子的振动能量为：n n为声子的量子数，显然与温度有关为声子的量子数，显然与温度有关n n根据玻尔兹曼分布，具有能量为根据玻尔兹曼分布，具有能量为E En n的谐振子数目，的谐振子数目，也就是声子占据也就是声子占据E En n能量的概率，正比于能量的概率，正比于 exp(-Eexp(-En n/ /k kB B
7、T T) = exp(-n) = exp(-n v/kv/kB BT T). ).n n则当温度为则当温度为T T时，振动频率为时，振动频率为v v的谐振子平均能量的谐振子平均能量为：为：那么晶体所有原子（谐振子）那么晶体所有原子（谐振子）的平均能量可以计算出。的平均能量可以计算出。n n由等容热容定义得：由等容热容定义得：爱因斯坦固体热容模型的成功和不足之处：高温时，相符合；高温时，相符合；低温时，趋于零，但与实验有差别；低温时，趋于零，但与实验有差别；德拜热容模型德拜热容模型n n德拜理论认为：德拜理论认为：晶体中各原子间存在弹性引力和斥力，这种力晶体中各原子间存在弹性引力和斥力，这种力使
8、得原子的热振动相互受着牵连和制约。晶体使得原子的热振动相互受着牵连和制约。晶体是连续介质，原子在振动时有宽的振动谱，存是连续介质，原子在振动时有宽的振动谱，存在最大振动频率在最大振动频率v vmaxmax。n n德拜温度：反应了原子之间的结合力。林德曼德拜温度：反应了原子之间的结合力。林德曼公式：公式：v vmaxmax=2.8=2.810101212(T(TM M/M)/M)1/21/2(V(Va a) )1/31/3, ,而而D D= =hvhvmaxmax/k/kB B（2）从材料热容贡献者角度分类）从材料热容贡献者角度分类n n凡是物质温度升高凡是物质温度升高-微观单元能量的吸收微观单
9、元能量的吸收n nA. A. 原子振动或者晶格振动原子振动或者晶格振动n nB. B. 大量的自由电子大量的自由电子n n金属中，含有金属中，含有A+BA+Bn n绝缘体中只有绝缘体中只有A An n对于以下的热容贡献者：对于以下的热容贡献者：n nA. A. 原子振动或者晶格振动原子振动或者晶格振动n nB. B. 大量的自由电子大量的自由电子量子热容理论模型都更加合理！量子热容理论模型都更加合理！A A 量子晶格振动热容理论模型量子晶格振动热容理论模型-爱因斯坦热容模型爱因斯坦热容模型B B 量子自由电子热容理论模型。量子自由电子热容理论模型。金属和合金的热容金属和合金的热容n n金属和合
10、金的最大特点就是内部存在大量的自由电子，金属和合金的最大特点就是内部存在大量的自由电子，而自由电子对于总体系的热容是有贡献的。这样金属的而自由电子对于总体系的热容是有贡献的。这样金属的热容实际上应该由两部分组成：晶格离子实部分和自由热容实际上应该由两部分组成：晶格离子实部分和自由电子部分。电子部分。n n低温下金属的热容：低温下金属的热容：C CT T= =C CL L+C+Ce e=aT=aT3 3+bT+bTn n经典理论认为自由电子的热容在经典理论认为自由电子的热容在3k/23k/2数量级，并且与温数量级，并且与温度无关。但是实际测得的电子对于热容的贡献只有此数度无关。但是实际测得的电子
11、对于热容的贡献只有此数值的值的1/1001/100。费米分布函数费米分布函数陶瓷材料的热容陶瓷材料的热容n n陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，室温下几陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，室温下几乎没有自由电子，因此热容与温度关系更符合德乎没有自由电子，因此热容与温度关系更符合德拜模型。拜模型。相变对热容的影响相变对热容的影响n n什么叫做什么叫做 相相 ？1. Any of the forms or states, solid, liquid, gas, or Any of the forms or states, solid, liquid, gas, or plasma, in which
12、 matter can exist, depending on plasma, in which matter can exist, depending on temperature and pressure.temperature and pressure.态：由温度和气压决定的物质存在的形式或状态，态：由温度和气压决定的物质存在的形式或状态，如固体、液体、气体或原生质等如固体、液体、气体或原生质等2. A discrete homogeneous part of a material system 2. A discrete homogeneous part of a material s
13、ystem that is mechanically separable from the rest, as is ice that is mechanically separable from the rest, as is ice from water.from water.相：在物质上有分别的同源体系，这个体系在物相：在物质上有分别的同源体系，这个体系在物理上是可以分辨的，如冰和水理上是可以分辨的，如冰和水n n相变分类：一个好的分类已经是一种重要知识。相变分类：一个好的分类已经是一种重要知识。n n厄伦菲斯分类：标志是热力学函数及其导数的连厄伦菲斯分类：标志是热力学函数及其导数的连续性
14、。对于热力学函数求导数：续性。对于热力学函数求导数：1 1、2 2、3 3，一直，一直到某一阶导数出现不连续点时停止。看看此时求到某一阶导数出现不连续点时停止。看看此时求导是第多少阶，是多少阶就是多少阶相变。导是第多少阶，是多少阶就是多少阶相变。n n一级相变（有潜热，从温度上看为突变）一级相变（有潜热，从温度上看为突变）二级相变（从温度上看为一个有限范围）二级相变（从温度上看为一个有限范围）考虑水结成冰这个相变是多少级相变？考虑水结成冰这个相变是多少级相变？4.3 材料的热膨胀材料的热膨胀 1、热膨胀来自于晶格原子的非简谐振动* 2、膨胀系数 3、影响热膨胀的因素 4、热膨胀的测试方法及应用
15、n n对于固体材料，其热膨胀的本质归因于：晶体点对于固体材料，其热膨胀的本质归因于：晶体点阵结构中质点之间的平均距离随温度升高而增大。阵结构中质点之间的平均距离随温度升高而增大。而并不能简单解释为由于质点的振幅随温度的升而并不能简单解释为由于质点的振幅随温度的升高而增大。高而增大。n n热膨胀的微观机理是原子的非简谐振动。事实上，热膨胀的微观机理是原子的非简谐振动。事实上，材料的晶格振动中相邻质点间的作用力并不是简材料的晶格振动中相邻质点间的作用力并不是简单地与位移成正比的。单地与位移成正比的。n n作用力与位移成正比的振动是简谐振动。作用力与位移成正比的振动是简谐振动。4.3.1 热膨胀来自
16、于晶格原子的非简谐振动一维双原子链示意图一维双原子链示意图对于某弹簧振子来说，对于某弹簧振子来说，它将作简谐振动。它将作简谐振动。简谐振动简谐振动非简谐振动非简谐振动n n当当rrrrrr0 0时，晶格离子实间的作用力表现为引力，时，晶格离子实间的作用力表现为引力，这个引力随这个引力随r r增大减小得较慢；增大减小得较慢；n n在振子受到上述作用力在振子受到上述作用力F(rF(r) )的情况下，振子的平衡的情况下，振子的平衡位置应该向那个方向移动？位置应该向那个方向移动？U(rU(r)=U(r)=U(r0 0)+c(r-r)+c(r-r0 0) )2 2-g(r-r-g(r-r0 0) )3
17、3+ +基态下原子间距为：基态下原子间距为：r r0 0 4.3.2 膨胀系数膨胀系数n n线膨胀系数：（膨胀量线膨胀系数：（膨胀量/ /温度变化量）温度变化量）n nl l= =f(Tf(T) )的倒数是材料线膨胀系数的曲线。的倒数是材料线膨胀系数的曲线。n n还有体膨胀系数的概念还有体膨胀系数的概念n n工程中膨胀系数是经常要考虑的物理参数之一。工程中膨胀系数是经常要考虑的物理参数之一。如玻璃陶瓷与金属之间的封接，由于电真空的要如玻璃陶瓷与金属之间的封接，由于电真空的要求，需要在低温和高温下两种材料的膨胀系数比求，需要在低温和高温下两种材料的膨胀系数比较相近。否则，容易漏气。较相近。否则，
18、容易漏气。n n要注意对于立方晶系，各个方向的膨胀系数是相要注意对于立方晶系，各个方向的膨胀系数是相同的。同的。膨胀系数与其它物理量的关系膨胀系数与其它物理量的关系n n热膨胀是固体材料受到热作用以后晶格振动加剧热膨胀是固体材料受到热作用以后晶格振动加剧而引起的容积（体积）膨胀，而晶格振动的加剧而引起的容积（体积）膨胀，而晶格振动的加剧正是（温度）热运动能量的增大。正是（温度）热运动能量的增大。1/ 1/ 与热容有关，与热容有关， = =CCv v/KV/KV2/ 2/ 固体热膨胀极限方程：（固体热膨胀极限方程：（V VTMTM-V-V0 0）/V/V0 0=6%=6%3/ 3/ 热膨胀系数和
19、熔点有一定的关系：热膨胀系数和熔点有一定的关系： T TMM=b=b4/ 4/ 膨胀系数与德拜温度的关系（由林德曼公式）膨胀系数与德拜温度的关系（由林德曼公式）5/ 5/ 膨胀系数随元素原子序数明显呈周期性变化。膨胀系数随元素原子序数明显呈周期性变化。4.3.3 影响热膨胀的因素影响热膨胀的因素n n合金成分和相变n n晶体缺陷n n晶体各向异性（弹性模量高方向膨胀系数小）（弹性模量高方向膨胀系数小）n n铁磁性转变 （反常膨胀）4.3.4 热膨胀的测试方法及应用热膨胀的测试方法及应用n n热膨胀的测量方法千分表简易膨胀仪光学膨胀仪电测膨胀仪* 测量并分析材料的变温X射线谱。n n膨胀法在材料
20、研究中的应用测定钢的临界点测定钢的临界点测定钢的过冷奥氏体等温转变曲线测定钢的过冷奥氏体等温转变曲线测定钢的连续冷却转变曲线测定钢的连续冷却转变曲线研究快速升温时金属相变及合金时效动力学研究快速升温时金属相变及合金时效动力学研究晶体缺陷（知道有这点就可以）研究晶体缺陷（知道有这点就可以）n n各个主要成分的相要分别考虑清楚，之后才是深各个主要成分的相要分别考虑清楚，之后才是深入研究。入研究。4.4 材料的导热性材料的导热性热传导宏观规律及其微观机制n n4.4.1傅立叶导热定律n n4.4.2热扩散率和热阻n n4.4.3导热的微观机制n n热传导某材料内部温度不均匀或者两个温度不同的物体某材
21、料内部温度不均匀或者两个温度不同的物体相互接触，热就会相互接触，热就会自发地自发地自发地自发地从高温度区向低温度区从高温度区向低温度区传播（两端均为恒温源）。传播（两端均为恒温源）。4.4.1 傅立叶导热定律n n稳态时稳态时稳态时稳态时，单位时间内通过垂直截面上的热流密度，单位时间内通过垂直截面上的热流密度q q正比于该金属棒的温度梯度。正比于该金属棒的温度梯度。( (类比水流、电流类比水流、电流) )负号表示热量向低温处传播；比例系数负号表示热量向低温处传播；比例系数 k k称为热导率。称为热导率。n n热导率单位：J/(m K s)n n金属：50415n n合金：12120n n非金属
22、液体：0.170.7n n绝热材料：0.030.17n n大气压气体：0.0070.174.4.2 热扩散率（导温系数）和热阻热扩散率（导温系数）和热阻n n稳态热传导稳态热传导材料各点温度随时间不变化。材料各点温度随时间不变化。dT/dtdT/dt=0=0，T T 仅为仅为x x的函数的函数T(xT(x) )。n n非稳态时，非稳态时，T(xT(x, t), t)。n n考虑如果考虑如果棒与外界绝热棒与外界绝热棒与外界绝热棒与外界绝热，也就是没有热交换，那，也就是没有热交换，那么，初始时自身的温度不平衡将逐渐随着时间的么，初始时自身的温度不平衡将逐渐随着时间的流逝而趋于平衡，因为有温度梯度就
23、会有热传导，流逝而趋于平衡，因为有温度梯度就会有热传导，最终温度梯度趋于零。最终温度梯度趋于零。n n导温系数就是衡量材料导温导温系数就是衡量材料导温( (实质是说使得材料温度从不实质是说使得材料温度从不均匀分布趋于均匀分布均匀分布趋于均匀分布) )的能力之参数。的能力之参数。n n定性来看，材料热容对于导温起阻碍作用；密度也起阻碍定性来看，材料热容对于导温起阻碍作用；密度也起阻碍作用；而材料的热导率则是起促进作用作用；而材料的热导率则是起促进作用n n导温系数的物理意义与不稳定的导热过程相联系。不稳定导温系数的物理意义与不稳定的导热过程相联系。不稳定导热过程，一方面涉及热量的传导，一方面涉及
24、温度的变导热过程，一方面涉及热量的传导，一方面涉及温度的变化。热扩散率标志着材料温度的变化速度。化。热扩散率标志着材料温度的变化速度。 = k/= k/（d cd cp p）n n在相同条件下，在相同条件下， 越大则物体各部分温差越小。越大则物体各部分温差越小。n n实际的工程中，人们经常要处理或者选择保温材实际的工程中，人们经常要处理或者选择保温材料或热交换材料。当然导热系数和导温系数是重料或热交换材料。当然导热系数和导温系数是重要的依据。要的依据。n n除此两者之外还有就是热阻，除此两者之外还有就是热阻，R=R=TT/ / ，其中，其中TT是温度差，是温度差， 是是热热流量。流量。热热阻的
25、倒数是阻的倒数是热导热导n n类类比于比于OhmOhms Law, R=U/Is Law, R=U/I来理解来理解这这个概念。个概念。n n注意，注意，热导热导和和热导热导率的差率的差别别，类类似似电导电导和和电导电导率率之之间间的区的区别别。4.4.3 导热的微观机制导热的微观机制n n固体的晶格离子实只能在其平衡位置附近做小幅固体的晶格离子实只能在其平衡位置附近做小幅振动，与气体不同，固体不可以靠分子之间的直振动，与气体不同，固体不可以靠分子之间的直接碰撞作用来传递热量。虽然不可以直接传递热接碰撞作用来传递热量。虽然不可以直接传递热量，但是各离子实的振动不是独立的。量，但是各离子实的振动不
26、是独立的。n n靠晶格振动的格波（或声子）和自由电子来传递靠晶格振动的格波（或声子）和自由电子来传递热量，固体的热导率为两部分的和。类似于热容热量，固体的热导率为两部分的和。类似于热容也是由两部分组成一样。也是由两部分组成一样。金属的热传导金属的热传导n n热导率和电导率的关系热导率和电导率的关系n n热导率及其影响因素热导率及其影响因素K Ke e正比于正比于T T，而电导率呢？，而电导率呢？WiedemanWiedeman-Franz -Franz 定律：定律：给定温度下金属的电导率和热导率比值为常数。给定温度下金属的电导率和热导率比值为常数。但是实质是说自由电子的电导率和热导率比值为常数
27、。但是实质是说自由电子的电导率和热导率比值为常数。n n对于金属，有：对于金属，有：n n显然，当第二项来自声子的部分可以忽略时，显然，当第二项来自声子的部分可以忽略时，W-FW-F定律成立。定律成立。n n一般是在固体材料的德拜温度以上一般是在固体材料的德拜温度以上热导率及其影响因素热导率及其影响因素n n纯金属的导热性：纯金属的导热性：热导率与温度，金属的热导峰；热导率与温度，金属的热导峰；晶粒的大小；晶粒的大小；各向异性；各向异性；杂质。杂质。n n合金的导热性：分有序和无序固溶体来讨论。合金的导热性：分有序和无序固溶体来讨论。 4.5 材料的热稳定性材料的热稳定性n n热稳定性的表征n
28、 n热应力n n抗热冲击性能n n热稳定性：指材料承受温度的急剧变化而不致被热稳定性：指材料承受温度的急剧变化而不致被破坏的能力，也称抗热震性。破坏的能力，也称抗热震性。n n热应力：仅由材料受热膨胀或遇冷收缩引起的内热应力：仅由材料受热膨胀或遇冷收缩引起的内应力称为热应力。应力称为热应力。n n这种应力可以导致材料的断裂破坏或者发生不希这种应力可以导致材料的断裂破坏或者发生不希望的塑性变型。对于光学材料将影响其光学特性，望的塑性变型。对于光学材料将影响其光学特性，光学特性是非常容易受影响的，换句话说光学是光学特性是非常容易受影响的，换句话说光学是检测材料缺陷等的非常精密的手段。检测材料缺陷等
29、的非常精密的手段。热应力的来源热应力的来源n n因为热胀冷缩受到限制而产生的热应力n n因温度梯度而产生热应力n n多相复合材料因为各相的膨胀系数不同而产生热应力。抗热冲击性能抗热冲击性能n n抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能 三种热应力断裂抵抗因子。三种热应力断裂抵抗因子。断裂是怎么产生的？断裂是怎么产生的？比较材料所受应力和抗拉强度。比较材料所受应力和抗拉强度。4.6 材料的热电性材料的热电性4.6.1 热电材料的机理4.6.2 热电效应的应用n热电效应热电效应塞贝克效应塞贝克效应(*)玻尔帖效应汤姆逊效应n n功能材料种类繁多功能材料种类繁多两种不同材料组成回路：回路电流的流向看具体场境
30、。两种不同材料组成回路：回路电流的流向看具体场境。温度差温度差x x较小时，电动势与之成线性关系较小时，电动势与之成线性关系4.6.1 热电效应的机理(1)(1)塞贝克效应塞贝克效应n n两种不同金属材料的自由电子密度不同，当接触时，两种不同金属材料的自由电子密度不同，当接触时，在接触面上就会发生电子扩散。这将与在接触面上就会发生电子扩散。这将与PNPN结中载流子结中载流子的扩散形式相似。电子的扩散速率与两导体的电子密的扩散形式相似。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。注意，低温端扩散度有关并和接触区的温度成正比。注意，低温端扩散形成电势差，高温端也扩散形成电势差，但是
31、两者的形成电势差，高温端也扩散形成电势差，但是两者的绝对值是不同的。绝对值是不同的。n n自由空间中或真空中，两金属的自由空间中或真空中，两金属的E EF F可能不一致可能不一致（n ns s不同是非常可能的），但是接触后，费米能不同是非常可能的），但是接触后，费米能级取为相同。级取为相同。n n设导体设导体A A和和B B的自由电子密度为的自由电子密度为N NA A和和N NB B，且有，且有N NA AN NB B，电子扩散的结果使导体，电子扩散的结果使导体A A失去电子而带正失去电子而带正电，导体电，导体B B则因获得电子而带负电，在接触面形则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电
32、场阻碍了电子继续扩散，达到动成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势接触电势：n ne eABAB(T(T) )：为导体：为导体A A和和B B的结点在温度的结点在温度T T时形成的接时形成的接触电势；触电势； e e ：为电子电荷：为电子电荷；k k B B： 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数大家注意，上面所说的是在某一个接触点的情况。大家注意，上面所说的是在某一个接触点的情况。大家注意，上面所说的是在某一个接触点的情况。大家注意，上面所说的是在某一个接触点的情况。热电偶测温热电偶测温-信号级能量（功率低）
33、信号级能量（功率低）温差发电温差发电-能源级能量（功率高）能源级能量（功率高）(2)珀耳帖效应珀耳帖效应塞贝克效应：先热后电；珀耳帖效应：先电后热。塞贝克效应：先热后电；珀耳帖效应：先电后热。n n由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。这将与子扩散。这将与PNPN结中载流子的扩散形式相似。电结中载流子的扩散形式相似。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。温度成正比。n n在相
34、同温度下，两个端点处由于电子扩散而形成的电在相同温度下，两个端点处由于电子扩散而形成的电势差相同，回路中不会有电流（合电动势为零）。势差相同，回路中不会有电流（合电动势为零）。假定：假定：n nA A n nB B, , e eA A e eB B电子在一端是由电子能量电子在一端是由电子能量高处迁往电子能量低处，高处迁往电子能量低处，而在另一端一定是从电子而在另一端一定是从电子能量低处迁往能量高处。能量低处迁往能量高处。体系的能量升高就体系的能量升高就对应生热或温度变高。对应生热或温度变高。温差温差发电器器In 1822, the EstonianGerman physicist Thomas
35、 Johann Seebeck (inset) discovered that if heat is applied across the junction of two wires, a current is generated. It is the basis of thermocouples devices used for cooling, and for power generation such as in the Voyager mission to Jupiter and Saturn, seen here at its launch in 1977.4.6.2 热电材料的应用
36、日美专家开发出高效热电转换材料 n n日本大阪大学教授山中伸介和美国科研人员合作开发出日本大阪大学教授山中伸介和美国科研人员合作开发出一种新型热电转换材料，其效率达到常规热电转换材料一种新型热电转换材料，其效率达到常规热电转换材料的约倍。的约倍。 n n铅和元素碲的化合物添加少量铊，在铅和元素碲的化合物添加少量铊，在500500摄氏度左右的温摄氏度左右的温度下热电转换效率达到百分之十几，而常规热电转换材度下热电转换效率达到百分之十几，而常规热电转换材料的效率只有至。科研人员说，如果覆盖纳米料的效率只有至。科研人员说，如果覆盖纳米金属薄膜，新材料可在更低温度条件下高效率地发电。金属薄膜，新材料可
37、在更低温度条件下高效率地发电。 n n在工业生产等领域，大量的热能往往白白流失掉。如普在工业生产等领域，大量的热能往往白白流失掉。如普通汽车引擎产生的能量约有通汽车引擎产生的能量约有6060在生成热量的过程中丢在生成热量的过程中丢失。失。n n25 JULY 2008 VOL 321 p554 SCIENCE25 JULY 2008 VOL 321 p554 SCIENCEAn inconvenient truth about thermoelectricsCronin B. Viningature materials | VOL 8 | FEBRUARY 2009 n n据德国据德国科学画报
38、科学画报杂志报道，来自德国慕尼黑的一杂志报道，来自德国慕尼黑的一家芯片研发企业研究出的这种新型电池，主要由一个家芯片研发企业研究出的这种新型电池，主要由一个可感应温差的硅芯片构成。当这种特殊的硅芯片正面可感应温差的硅芯片构成。当这种特殊的硅芯片正面“ “感受感受” ”到的温度较之背面温度具有一定温差时，其到的温度较之背面温度具有一定温差时，其内部电子就会产生定向流动，从而产生微电流。负责内部电子就会产生定向流动，从而产生微电流。负责研发这种电池的科学家温纳研发这种电池的科学家温纳 韦伯介绍说，韦伯介绍说，“ “只要在只要在人体皮肤与衣服等之间有人体皮肤与衣服等之间有55的温差，就可以利用这的温
39、差，就可以利用这种电池为一块普通的腕表提供足够的能量种电池为一块普通的腕表提供足够的能量” ”。 1821年，德国物理学家塞贝克（T.J. Seebeck）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应。也称作“塞贝克效应（Seebeck effect）”。Thomas Johann Seebeck（17701831）n n测温度用的热电极材料：测温度用的热电极材料：热电势与温度有良好的线性关系；热电势与温度有良好的线性关系；具有较大的热电势系数；具有较大的热电势系数；材料的热电性能可靠；材料的热电性能可靠；其他环境因素。其他环境因素。Z
40、T=S2T/(ke+kl)n n种类：种类：化合物半导体n n特性：特性：无噪音、寿命长、性能稳定n n用途：用途：主要用于油田、野外、军事等领域,同时越来越多地应用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业等行业。按工作温度来分类：按工作温度来分类：n n高温温差发电器，其热面工作温度一般在高温温差发电器，其热面工作温度一般在700700以上，以上，使用的典型温差电材料是硅锗合金（使用的典型温差电材料是硅锗合金（SiGeSiGe）；）；n n中温温差发电器，其热面工作温度一般在中温温差发电器，其热面工作温度一般在400400500500，使用的典型温差电材料是碲化铅（，使用的典型温差电材料是碲化铅
41、（PbTePbTe）；）；n n低温温差电器，低温温差电器， 其热面工作温度一般在其热面工作温度一般在400400以下，以下，使用的典型温差电材料是碲化铋（使用的典型温差电材料是碲化铋（BiBi2 2TeTe3 3）。）。四级制冷芯片An inconvenient truth about thermoelectricsCronin B. Viningature materials | VOL 8 | FEBRUARY 2009 热电性（效应）的应用总结热电性（效应）的应用总结n n热电性（效应）的应用热电性（效应）的应用1/ 1/ 分析金属材料组织结构的转变，组织结构有变分析金属材料组织结构的
42、转变，组织结构有变化则电子浓度有变化，塞贝克系数有变化；化则电子浓度有变化，塞贝克系数有变化；2/ 2/ 热电偶测温度（应用比较广）；热电偶测温度（应用比较广）；3/ 3/ 利用塞贝克效应实现温差发电；利用塞贝克效应实现温差发电；4/ 4/ 利用珀耳帖效应实现电制冷。利用珀耳帖效应实现电制冷。4.7 热导率的测量方法热导率的测量方法n n稳态测试（驻流法：直接法和比较法）稳态测试（驻流法：直接法和比较法）保持试样各点的保持试样各点的 温度随时间不变化，测出试样的温度随时间不变化，测出试样的温度梯度和热流量，计算热导率。怎么计算？温度梯度和热流量，计算热导率。怎么计算？n n动态测试（闪光法：激
43、光热导仪）动态测试（闪光法：激光热导仪）测量试样温度随时间的变化率，从而直接得到热测量试样温度随时间的变化率，从而直接得到热扩散系数，再已知材料的比热容后计算出热导率扩散系数，再已知材料的比热容后计算出热导率稳态测试稳态测试1/ 1/ 直接法：直接法：量纲是什么？2/ 2/ 比较法：需要一个标准试样，比较法：需要一个标准试样，n n静（稳定）态测试热导率的优点是方法简单，实静（稳定）态测试热导率的优点是方法简单，实验测试装置结构简便易行，但是缺点是如何防止验测试装置结构简便易行，但是缺点是如何防止热量损失。热量损失。n n对于金属可以由测定电导率估算其热导率，精度对于金属可以由测定电导率估算其
44、热导率，精度约为约为10%10%，或者用动态测试法。，或者用动态测试法。动态测试动态测试n n测试时间一般都很短，记录仪的响应速度要快。测试时间一般都很短，记录仪的响应速度要快。试样为薄的圆片状。试样为薄的圆片状。n n正面激光辐照，背面温度测量。理论研究表明：正面激光辐照，背面温度测量。理论研究表明：L L为试样厚度，为试样厚度， 是热扩散系数。是热扩散系数。n n需要测试样品背面温度随时间的变化，找出需要测试样品背面温度随时间的变化，找出t t1 1/2/2。n n动态测试热导率的优点是热量损失可以忽略，精动态测试热导率的优点是热量损失可以忽略，精度较高，测试速度快，试样简单。度较高，测试速度快，试样简单。n n缺点是实验测试装置结构较为复杂。在特殊情况缺点是实验测试装置结构较为复杂。在特殊情况下热损失如果不可忽略时，误差将较大。下热损失如果不可忽略时，误差将较大。
