材料的熱學性能

材料的熱學性能第1頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五第一章材料的熱學性能

熱學性能包括：材料的熱容材料的熱膨脹材料的熱傳導材料的熱穩(wěn)定性材料及其制品都在一定的溫度環(huán)境下使用，在使用過程中，將對不同的溫度作出反映，表現出不同的熱物理性能，這些熱物理性能就稱為材料的熱學性能

第2頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五5.1熱學性能的物理基礎晶格熱振動：非簡諧運動晶格熱振動是諸原子的集體振動晶格熱振動：固體材料是由構成材料的質點（原子、離子）按一定晶格點陣排列堆積而成，一定溫度下，點陣中的質點總是圍繞其平衡位置作微小的三維振動，這稱為晶格熱振動。第3頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五r斥力引力ro合力rF簡諧振動F-r線性非簡諧振動F-r非線性原子間力與原子間距關系(F-r)第4頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五晶格熱振動是諸質點的集體振動動能=熱量各質點熱運動時動能總和就是該物體的熱量質點的熱振動晶格熱振動=3維方向振動第5頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五格波：固體材料中各質點在其平衡位置做振動，當溫度↑，質點振動頻率↑例如：一維晶格：相鄰指點間的振動存在一定的位相差，每個質點振動可以看成以彈性波的形式在晶格中傳播，稱為格波。材料質點間有很強的相互作用力（斥力、引力），一個質點的振動會影響相鄰質點的振動。第6頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五格波：又稱為振子晶體中的振子的振動頻率不止一個，而是一個頻譜，振子是以不同頻率的格波疊加起來的合波，進行運動。聲頻支格波：如果格波頻率低（聲頻范圍,<1.5×103Hz），質點彼此之間的位相差不大，相鄰指點振動方向相同，為“聲頻支格波”。第7頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五光頻支格波：格波中頻率高的振動波（紅外光區(qū)），質點彼此之間的位相差很大，鄰近質點的運動幾乎相反，稱為“光頻支格波”。第8頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五第9頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五固體的熱容是原子振動在宏觀性質上的一個最直接的表現

5.2材料的熱容熱容：物體溫度升高1K所需要增加的能量。

（J/K）比熱容單位（質量熱容）—

J/K·g

摩爾熱容單位—J/K·mol

熱容單位：對于一定的材料，質量不同熱容不同，溫度不同熱容也不同。一熱容的基本概念第10頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五比定壓熱容：加熱條件在恒壓下進行比定容熱容：加熱條件在恒容下進行T2-T1范圍愈大，精度愈差平均熱容:第11頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五氣體材料：T↑，體積膨脹，外界做功，吸收Q↑因此：固體或液體：T↑，體積變化小，因此：恒壓過程：第12頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五二、固體的經典熱容理論（1）元素的熱容定律——杜隆一珀替定律

恒壓下元素的原子熱容為化合物分子熱容等于構成該化合物各元素原子熱容之和。（2）化合物的熱容定律——柯普定律第13頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五經典熱容理論解釋兩個定律：每個原子有3個振動自由度，每個振動自由度能量=平均動能（）+平均勢能()每個原子振動能量=3kT1mol物質的總能量=3NAkT

NA：阿佛加德羅常數k：玻爾茨曼常數第14頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五由上式可知，熱容是與溫度T無關的常數這就是杜隆一珀替定律。按摩爾熱容定義：

第15頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五實際材料中：高溫時：杜隆—珀替定律在與實驗結果很吻合。低溫時：CV的實驗值并不是一個恒量.

與T3成比例，漸趨于零。對于雙原子的固態(tài)化合物的摩爾熱容：其余依此類推。經典熱容理論只是用于特定的溫度范圍T/K

Cv0

常數第16頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五質點振動以彈性波形式在晶體中傳播——聲頻支格波普朗克提出格波能量的量子化理論——具有不連續(xù)性振子受熱激發(fā)所占的能級是分立的，它的能級在0時為1/2hv——零點能依次的能級是每隔hv升高一級，一般忽略零點能三、固體熱容的量子理論1.振子能量量子化通常第17頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五nEn=nhv+1/2hv210h：普朗克常數v:頻率聲子：質點熱振動能量是量子化的，能級間隔hv,hv是這種量子化彈性波的最小單位，稱為量子或聲子。聲子能量——Hv值大小第18頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五一定溫度下,一定頻率的振子獲得能量后占據n能級的幾率：

2.振子在不同能級的分布服從波爾茲曼能量分布規(guī)律第19頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五3.溫度Tk，振動頻率v，振子的平均能量一個振動自由度方向：第20頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五

高溫時:即：第21頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五高溫區(qū)：每個振子單向振動的總能量與經典理論一致

1mol物質的總能量=3NAkT所以：

——與經典杜?。晏娑上喾?2頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五如果不僅僅局限于高溫區(qū)整個溫度范圍內，3N個振動模，總的能量第23頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五這就是按照量子理論求得的熱容表達式。但要計算CV

必須知道每個振子的頻譜v——非常困難。因此：（一）愛因斯坦模型（二）德拜模型晶體總的熱容：第24頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五模型要點：（1）認為晶體中所有原子都以相同的頻率振動，設為v0（2）晶格振動能量是量子化的體系規(guī)定：N個原子組成，共有3N個頻率為v0的振動(一).愛因斯坦模型第25頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五熱容：第26頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五高溫區(qū)：選取合適的E值，

T>E時，理論計算的結果和實驗結果相符合大多數固體：

E=100K～300K也有可能低于和高于這個范圍的固體

愛因斯坦特征溫度：第27頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五低溫區(qū)域，CV值按指數規(guī)律隨溫度T而變化，而不是從實驗中得出的按T3變化的規(guī)律。忽略了各格波的頻率差別，其假設過于簡化。低溫區(qū)：第28頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五金剛石：E=1320K理論值（線）與實驗值（點）比較低溫范圍內，愛因斯坦理論值下降比較陡第29頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五模型要點：（1）考慮了晶體中原子的相互作用，每個原子都有其固有頻率。（2）認為晶體中只存在三支彈性波，二支橫波和一支縱波，體系規(guī)定：N個原子組成，共有3N個晶格振動模。（二）．德拜比熱模型第30頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五晶體熱容：g(v)——振動頻率分布函數第31頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五g(v)——振動頻率分布函數其中：V——晶體體積(球形)Cl——橫波熱容Ct——縱波熱容第32頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五德拜特征溫度:令第33頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五德拜比熱函數:晶體總的熱容:第34頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五高溫區(qū)：——杜隆—珀替定律低溫區(qū)：——與T3成正比，德拜定律第35頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五德拜定律表明：當T→0時，CV與T3成正比并趨于0，它與實驗結果十分吻合，溫度越低，近似越好。

德拜理論與實驗比較（實驗點是鐿的測量值線是德拜理論計算值）第36頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五四熱容隨溫度變化的本質T

CvD溫度↑增加的方式T↑

晶格振動↑

頻率為v格波（振子）振子的振幅的增加振子的能量增加以聲子為單位增加振子能量

晶格熱量傳遞形成表現第37頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五n210根據波爾茲曼能量分布，一定T下，一定頻率的振子占據n能級的幾率：同樣的溫度，低頻率的振子占據n能級的幾率大。hv：量子化彈性波的最小單位——聲子。

格波能量是量子化的，能級是分立的hvnE)21(+=第38頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五T↑,一定頻率v的振子占據高能級的幾率增加，低頻率的振子需要激發(fā)到高能及需要的hv值比較小，先激發(fā)占據高能級。T再↑，高頻率的振子hv值也得到滿足，激發(fā)到高能級，激發(fā)聲子數↑顯著，T→0K，kT<<hv，吸收的能量很小，最低頻率的振子也不能被激發(fā)到更高的能級，沒有聲子被激發(fā)。hvnn+1T↑第39頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五3.當T↑，kT>>hv，最大頻率的振子也被激發(fā)到高能級，kT=hvmax，即，德拜特征溫度：

所有振子占據高能級的幾率為1，T再↑，不同頻率的振子獲得能量占據更高能級所激發(fā)的聲子數相同。hvnn+1v1v2vmaxhvnE)21(+=第40頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五T

CvD熱容——溫度增加1k激發(fā)聲子的能量T=0K,C=0T<DC∝T3T>>DC∝3R第41頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五不同材料θD也不同。石墨θD=1973KBeO的θD=1173KAl2O3的θD=923K第42頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五德拜溫度D取決于材料的原子鍵力和原子質量這是因為：鍵力越大，質量越輕，D越大。這是因為：質量越輕，D越大，振子的頻率越高，德拜溫度變高。第43頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五五影響熱容的因素1溫度影響T

CvDT=0K,C=0T<DC∝T3T>>DC∝3R第44頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五2相變相變時，由于熱量的不連續(xù)變化，使熱熔出現突變第45頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五3德拜溫度約為熱容的0.2-0.5倍4高溫下，化合物的摩爾熱容等于構成該化合物各元素原子熱容之和。5多相復合材料的熱容第46頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五六.熱容的測量混合法T曲管溫度計；P攪拌器；J套筒；C量熱器桶；G保溫用玻璃棉m0水的質量C0水的比熱T3混合后終溫T2樣品初溫T1水初溫第47頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五電熱法第48頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五七熱分析技術熱分析是在程序控制溫度下，測量物質的物理性質（包括物質的質量、溫度、熱焓、尺寸、機械、聲學、電學等）隨溫度變化的一類技術。差熱分析熱重分析差示掃描量熱分析熱膨脹分析常用的有以下幾種第49頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五物理性質熱分析技術名稱縮寫質量熱重法TG等壓質量變化測定逸出氣檢測逸出氣分析EGD放射熱分析EGA熱微粒分析溫度升溫曲線測定差熱分析DTA熱量差示掃描量熱DSC尺寸熱膨脹法力學特性熱機械分析TMA動態(tài)熱機械法DMA第50頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五差熱分析（TDA:differentialthermalanalysis)：測量試樣與參比物之間溫差隨溫度或時間的變化關系。示差掃描量熱法（DSC：differentialscanningcalarmetry)：測量在加熱或冷卻過程中，在試樣和標樣的溫度差保持為零時，所要補充的熱量與溫度或時間的關系。熱重法（TG:thermogrivimetry)：測量試樣的質量隨時間或溫度的變化關系。第51頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五DSC第52頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五TG/DTA儀器原理圖1－測量系統；2－加熱爐；3－溫度程序控制器；4－記錄儀差熱分析DTA應用：熔化及結晶轉變、氧化還原反應、裂解反應等的分析研究。熱重法TG應用：樣品的失水、分解等反應過程。第53頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五CaC2O4.2H2O=CaC2O4+2H2OCaC2O4=CaCO3+COCaCO3=CaO+CO2

草酸鈣加熱過程第54頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五第55頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五一、熱膨脹系數（Thermalexpansioncoefficient）熱膨脹：物體體積或長度隨溫度升高而增大的現象5.3材料的熱膨脹αl——線膨脹系數材料：第56頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五αV——體膨脹系數各向異性的材料：各晶軸方向的線膨脹系數不同，假如分別為αaαbαc,

av=aa+ab+ac各項同性的材料：av=3a第57頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五熱膨脹實質：振動原子的平均位置隨溫度升高而改變，導致原子平均間距增大?？蓮囊韵聝煞矫娼忉專?/p>

1質點間力—原子間距關系

2質點勢能—質點間距關系二、熱膨脹機理第58頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五原子間力—原子間距關系——非線性的

1質點間力—質點間距關系第59頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五質點間力—質點間距關系是非線性的這是由于：晶格振動不是簡諧振動而是非簡諧的r斥力引力ro合力rF簡諧振動F-r線性非簡諧振動F-r非線性第60頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五T↑,質點振動幅度↑質點在兩側受力不對稱情況↑距離縮小時斥力變大的程度比距離變大時引力變大的程度要大，距離增加更容易，因此：T↑，質點距離↑體積↑第61頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五

2原子勢能—原子間距關系由于質點間作用力是非簡諧的，使得質點位能呈非對稱拋物線。第62頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五

r0是能量的最低處，T↑,質點振動幅度↑質點振動能量↑質點離開平衡位置r0出現兩個偏離間距，最終離開平衡位置的平均距離增加。因此：T↑，質點距離↑體積↑第63頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五三熱膨脹與其他性能的關系1熱膨脹與熱容熱容：溫度升高1K時，所增加的能量，熱膨脹：材料受熱，質點能量增加，引起體積增加。

T↑能量↑體積↑CaT<θD,

C∝T3av∝T3T>θD,高溫下熱缺陷大量生成，故α增大較顯著第64頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五Al2O3的比熱容、線膨脹系數與溫度的關系第65頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五2熱膨脹與熔點結合能越大，則熔點越高，而α越小。Tm——熔點VTm——熔點時的體積V0——0K時的體積格留乃申方程反映了這種相反的變化趨勢第66頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五熱膨脹系數大小：共價晶體<原子晶體<離子晶體<金屬<分子晶體第67頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五1晶體結構堆積緊密，α大。多晶玻璃>無定形玻璃2空曠結構的材料，α小。溫度增加，熱膨脹是首先膨脹在空曠間3相變伴隨的點陣重構引起附加的⊿L，α∝⊿L/⊿T4相組成、合金成分：粗略符合“加和”規(guī)則。α＝∑αiΨi四影響熱膨脹的因素第68頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五五熱膨脹系數的測定靜態(tài)熱機械分析法（TMA）程序控制下和非振動載荷作用下，測量式樣的形變與溫度的關系T△L第69頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五熱膨脹法確定鋼相變的臨界點六、熱膨脹的應用組織轉變附加的體積效應使膨脹曲線產生拐折。第70頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五用作控制開關的雙金屬片鋼銅T↑第71頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五5.4材料的熱傳導一、固體材料熱傳導的宏觀規(guī)律熱傳導：當固體材料一端的溫度比另一端高時，熱量會從熱端自動地傳向冷端，這個現象稱為熱傳導。△S高溫T1低溫T2x△S⊥x軸溫度梯度：第72頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五△t時間內通過△S截面上的熱量為△Q

傅里葉定律：

物理意義：指單位溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積的熱量，單位為J/(m2·s·k)或W/(m·K)。λ——導熱系數第73頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五氣體（分子構成）分子可以在空間自由運動金屬材料（正離子和自由電子構成）

自由電子可以在整個金屬中自由運動二、固體材料熱傳導的微觀機理第74頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五非金屬材料離子晶體（離子構成）共價晶體（原子構成）

自由電子很少這些質點可以在平衡位置上振動，形成格波，格波可以在整個材料中傳播。第75頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五

當存在溫度差時，高溫端，質點動能增加，和鄰近溫度低的質點碰撞程度增加，熱量開始傳遞給溫度低的質點，依次結果，熱量就從高溫端傳到低溫端。低溫高溫第76頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五氣體材料導熱——分子間直接碰撞，（導熱性差）純金屬材料導熱——主要是自由電子間碰撞，無機非金屬材料導熱——晶格振動（格波），

格波分為聲頻支和光頻支。

聲子導熱，光子導熱固體材料中熱量是由自由電子、質點振動、熱輻射所傳遞的熱傳導機制相應的分為三種(二)聲子熱導(三)光子熱導(一)電子熱導第77頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五(一)電子熱導

對于純金屬，電子是自由的，導熱主要靠自由電子，合金導熱要考慮聲子和電子導熱的共同貢獻。將金屬中大量的自由電子看作是自由電子氣，用理想氣體的熱導率公式描述：

λ：熱導率（導熱系數）C:單位體積氣體的熱容:分子運動的平均速度:分子運動的平均自由程（兩次碰撞間的距離）第78頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五自由電子的熱導率公式：

n：單位體積內的自由電子數k：波爾茲曼常數m：電子質量τ：自由電子弛豫時間第79頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五銅及合金的性能材料組成熱膨脹系數×10-6/℃熱導率W/(m·K)純銅Cu17.0388-399黃銅Cu-Zn18.1-19.829-60錫青銅Cu-Sn17.5-19.112-20鋁青銅Cu-Al17.1-18.260-100硅青銅Cu-Si16.1-18.537-104錳青銅Cu-Mn20.4108白銅Cu-Ni17130電子要比聲子的導熱率大第80頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五(二)聲子熱導聲子：質點熱振動能量是量子化的，聲頻波的間隔能級hv,hv是這種量子化彈性波的最小單位，稱為量子或聲子。聲子能量:hv值大小聲子數：忽略零點能1/2hv，無機非金屬特別是離子或共價鍵晶體，自由電子很少。主要通過質點振動形成格波，格波在材料中傳播，來導熱。第81頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五溫度平衡時：同樣多的振動模式同樣多的振動振幅同樣多的聲子數T1低:較少的振動模式較小的振動振幅較少的聲子被激發(fā)較少的聲子數T高:較多的振動模式較大的振動振幅較多的聲子被激發(fā)較多的聲子數低溫高溫聲子濃度梯度（擴散）第82頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五熱阻：聲子擴散過程中的各種散射從晶格格波的聲子理論可知：熱傳導過程是聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)的擴散過程。如果聲子不發(fā)生碰撞，聲子的擴散速度就是熱量的傳播速度。但事實上，聲子在擴散過程中肯定要發(fā)生碰撞。從而產生熱阻。第83頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五影響熱傳導性質的聲子散射主要有四種機構：兩聲子發(fā)生碰撞，形成新聲子的動量方向和原來兩個聲子矢量和方向相一致，熱流方向不被破壞，此時無多大的熱阻。（1）聲子的碰撞過程聲子1聲子2新聲子第84頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五碰撞后，發(fā)生方向反轉，從而破壞了熱流方向產生較大的熱阻。翻轉過程（聲子碰撞）聲子碰撞的幾率：溫度越高，聲子間的碰撞頻率越高，聲子的平均自由程越短。聲子1聲子2新聲子第85頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五熱振動的非線性和格波間的耦合作用會導致聲子碰撞幾率增大，自由程l減小。聲子間碰撞引起的散射是晶體熱阻的主要來源。熱阻增加，導熱性變差。第86頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五聲子的熱導率公式：λph：熱導率（導熱系數）C:單位體積內聲子比熱:分子運動的平均速度:聲子運動的平均自由程（兩次碰撞間的距離）第87頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五(三)光子熱導振動、轉動固體中的分子、原子和電子電磁波（光子）光子在介質中的傳播過程------光子的導熱過程。電磁波中具有較強熱效應的在可見光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱為熱射線。熱射線的傳遞過程------熱輻射熱輻射傳遞能量熱輻射在固體中的傳播過程和光在介質中的傳播過程類似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。第88頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五固體中的輻射傳熱過程的定性解釋：低溫端：輻射量小吸收量大

輻射能量熱穩(wěn)定狀態(tài)

T3高溫端：輻射量大吸收量小

吸收能量輻射吸收輻射吸收輻射源T1材料T2第89頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五σ——斯蒂芬—波爾茲曼常數N——折射率vc——光速熱輻射能：低溫時：熱輻射能和振動能相比很小，可忽略高溫時：>1500℃，熱輻射能很大，不能忽略第90頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五容積熱容光子導熱率：

——輻射線在介質中的傳播速度

——輻射線光子的平均自由程第91頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五溫度不太高時<1500K，固體中的導熱主要靠晶格振動的格波（聲子）和自由電子的運動來實現：

λph:聲子熱導率，

λ

e：電子的熱導率金屬材料：無機非金屬材料：自由電子很少電子要比聲子的導熱率大第92頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五材料組成熱導率W/(m·K)純銅硅青銅錳青銅白銅氧化鋁氧化硅CuCu-SiCu-MnCu-NiAl2O3SiO2388-39937-104108130341.4電子要比聲子的導熱率大第93頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五三、影響無機非金屬材料熱傳導的因素1溫度的影響T

CDT=0K,C=0T<DC∝T3T>>DC≈3R(1)T對C的影響熱導率可以看作常數第94頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五(2)T對平均自由程l的影響平均自由程l最大可達晶粒尺寸——l上限最小為為晶格間距——

l下限T↑，聲子碰撞幾率↑，l↓，熱阻↑，λ↓T↓，聲子碰撞幾率↓，l↑，熱阻↓，λ↑

第95頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五(3)T對λ的影響T=0K，C=0,

λ=0↓T↑，C∝T3，l是上限值，λ∝T3，λ↑T再↑，T<D,C∝T3，l隨T↑而↓，λ升高速度↓T=D,

C≈3R,l隨T↑而↓,λ

↓T>D，l是下限值↓，λ趨于定值T再↑↑，光子導熱，λ

↑第96頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五熱輻射中溫(40K-1500K)高溫>1500K低溫0λT/K第97頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五第98頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五2顯微結構的影響

（1）結晶構造的影響

晶體結構愈復雜，晶格振動的非諧性程度愈大，格波受到的散射愈大，因此，聲子平均自由程較小，熱導率較低，第99頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五（2）各向異性晶體的熱導率非等軸晶系的晶體熱導率呈各向異性。溫度升高，晶體結構總是趨于更好的對稱。因此，不同方向的λ差異變小。第100頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五單晶：指整個晶體主要由原子(或離子)的一種規(guī)則排列方式所貫穿。多晶：是由大量的微小單晶體（晶粒）隨機堆積成的整塊材料，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。（3）多晶體與單晶體的熱導率

多晶單晶第101頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五多晶單晶由于多晶體中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、雜質也多，聲子更易受到散射，它的l小得多，因此l

小，故對于同一種物質，多晶體的熱導率總是比單晶小.第102頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五第103頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五（4）非晶體的熱導率

非晶：無規(guī)則的外形和固定的熔點，內部結構也不存在長程有序，但在若干原子間距內的較小范圍內存在結構上的有序排列——短程有序,無晶界?！ＡХ蔷У?04頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五氧化鈹（Be2O3）晶體Be2O3非晶玻璃晶體結構閱兵方隊原子排列非晶體鬧市人群第105頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五非晶體材料特有的長呈無序結構，聲子平均自由程l近似為常數，幾個晶胞間距的量級。T

CD電容C的變化第106頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五<600K600～900K僅僅聲子導熱聲子導熱考慮光子導熱貢獻中低溫（400～600K）以下，光子導熱可忽略不計。聲子導熱隨溫度的變化由聲子熱容隨溫度變化規(guī)律決定。高溫度（600～900K），隨溫度升高，聲子熱容趨于一常數，故聲子導熱系數曲線出現一條近平行于橫坐標的直線。若考慮到此時光子導熱的貢獻，熱導率增加。第107頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五晶體與非晶體導熱系數曲線的差別：①非晶體的導熱系數（不考慮光子導熱）在所有溫度下都比晶體的小。因為非晶的平均自由程l小。②在高溫下，二者比較接近。平均自由程l都接近晶格間距。③非晶體沒有導熱系數峰值點。第108頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五3化學組成

不同組成的晶體，構成晶體的質點大小、性質不同，晶格振動狀態(tài)不同，傳熱能力也會不同。

（1）物質組分原子量越小，形成格波的振動頻率高，德拜溫度θD越大，則熱導率λ愈大。第109頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五(3)晶體中存在的各種缺陷和雜質越多，聲子的散射程度增加，平均自由程l越小，熱導率λ變小。(2)物質組分原子量相差越大，形成格波的振動頻率相差越大，晶格的非簡諧振動越大，平均自由程l越小，則熱導率λ愈小。第110頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五(4)復相材料的熱導率復合材料：由兩相或多相材料復合而成的具有新的功能的材料。第111頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五復合材料的聯通方式：0-3，1-3，2-2，2-3和3-3型等。把對功能效應起主要作用的分散相的維數放在前面，把基體的維數放在后面。0-32-21-3第112頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五

復相材料的熱導率：λc——基體相導熱率

λ

d——分散相導熱率ψd——分散相體積分數第113頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五5.5材料的熱電性能材料的兩端存在電位差——產生電流，溫度差——產生熱流。從電子論的觀點看，在金屬和半導體中，無論是電流還是熱流，都與電子有關。故溫度差，電位差，電流，熱流之間存在交叉聯系，這就構成了熱電效應。第114頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五一帕耳帖效應二湯姆遜效應三塞貝克效應三個基本熱電效應第115頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五一帕耳帖效應將銅、鉍兩根金屬絲的端點互相連接（A,B處）成為一閉合回路。將兩根鉍絲分別接到直流電源的正、負極上，通電后發(fā)現A接頭變冷，吸熱效應；B接頭變熱，發(fā)生了放熱效應，這個現象稱為帕爾帖效應1定義：第116頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五2分析原因：不同的金屬，電子狀態(tài)不同，銅鉍接觸時，電子從1→2，1中電子減少，2中電子增多。1電位為正，2電位為負。這樣不同金屬的接觸面處產生的電勢稱接觸電勢差（V12）++++++++++++1↓e2V12第117頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五A處：通電后，外加電場使電子移動形成電子電流,接觸電勢差V12將阻礙電子的運動，電子動能減小，減速的電子與金屬離子碰撞，從金屬原子那里獲得能量，金屬離子能量減小，從而使該處溫度降低，變冷，須從外界吸熱。eeV12V12第118頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五B處：通電后，接觸電勢差V12將加速電子的運動，電子動能增加，加速的電子與金屬離子碰撞，把獲得的動能交給金屬原子，金屬離子能量增加，從而B處溫度增加，變熱，須放熱。eeV12V12第119頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五帕爾帖效應的應用——制冷

熱電效應的大小主要取決于兩種材料的熱電勢。純金屬材料的導電性好，導熱性也好。用兩種金屬材料組成回路，其熱電勢小，熱電效應很弱，制冷效果不明顯(制冷效率不到1%)。半導體材料具有較高的熱電勢，可以成功地用來做成小型熱電制冷器。第120頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五圖示出N型半導體和P型半導體構成的熱電偶制冷元件。用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個回路，銅板和銅導線只起導電的作用。回路中接通電流時，一個接點變熱，一個接點變冷。如果改變電流方向，則兩個接點處的冷熱作用互易，即：原來的熱接點變成冷接點，原來的冷接點變成熱接點。熱電制冷元件第121頁，共131頁，2023年，2月20日，星期五

熱電制冷器它不需要一定的工質循環(huán)來實現能量轉換，沒有任何運動部件。熱電制冷的效率低，半導體材料的價格又很高，而且，由于必須使用直流電源，變壓和整流裝置往往不可避免，從而增加了電堆以外的附加體積。所以熱電制冷不宜大規(guī)模和大冷量便用。但由于它的靈活性強，簡單方便，使用可靠，冷熱切換容易，非常適宜