热量依靠什么进行转移和传递？
晶格振动
格波
声频支 光频支
声子
材料的传热机理
➢ 分子导热机理 ➢ 电子导热机理
气体 金属、半导体
➢ 声子导热机理 金属、半导体、绝缘体
➢ 光子导热机理
固体高温条件下
格波
声频支 光频支
自由电子热传导
固体的传热 声子热传导
光子热传导
声频支 光频支
分子导热机理
1 3
CV
材料的热导率
地址：材料学院A306 室
热流仪
应用举例：
微孔绝热材料 乙丙橡胶泡沫 膨胀聚苯乙烯
试样尺寸：30 mm×30 mm 厚度：1 mm ~ 20 cm
导热系数范围： 0.005 ~ 0.50 W/m ·K
热导率的工程应用
➢ 保温墙体材料
➢ 隔热耐火材料的选用
➢ 核反应堆中，燃烧元件的最高反应温度
气孔对导热系数的影响
气孔率越大，导热系数越小
结构复杂程度对导热系数的影响
单晶体和多晶体的热导率变化情况
气孔率对热导率的影响
气孔率增加
气孔率较大的材料具有较低的热导率，因而适合用作 保温材料。
化学成分和杂质的影响 金属材料
无机非金属材料
金属
合金中加入杂质元素将使导热系数降低
杂质与基体的差异越大，对热导率的影响越大
1 3
j
c j jl j
角标j表示不同载体类型的相应物理量。
1 3
ceele
声子的导热系数
1 3
c p
plp
声子的平均自由程
影响因素：
格波间的相互作用
声子与声子之间的碰撞
热阻
缺陷、杂质以及晶粒间的界面
声子的振动频率 ω l
取决于自由行程
温度
Tl
光子导热机理
固体中分子、原子、电子的振动、转动等 运动状态的改变，会辐射出电磁波，具有较强 热效应的波长在0.4～40μm间（相当于红外、 近红外光区）。
声子和声子热导
声子：晶格振动的“量子” h 声子的能量：
声子的运动：格波的传播过程
热传导过程：声子从高浓度区到低浓度区的扩散过程。 热阻：声子扩散过程中的各种散射。
类似于气体热传导是分子碰撞的结果，晶体热 传导是声子碰撞的结果。
固体材料的导热是电子、声子和光子导热共同
作用的结果，有
电子的导热系数
高温，声子导热变化仍不大， 但光子的平均自由行程增大， 导热系数缓慢升高。
晶体与非晶体导热系数曲线比较
非晶体的自由行程在整个温度区间内变化不大。
几种晶态氧化物及玻璃态二氧化硅的1/lr-T曲线
晶体结构的影响
晶体结构越复杂，导热系数越低
声子或格波的散射加剧
多晶体和单晶体的影响不同
多晶体的热导率较低，随温度升高其与单晶的差异变大
第三节 材料的热传导
热传导的基本概念和定律 物理机制 魏德曼-弗兰兹定律 影响因素 热导率的测量
几种物质的导热系数
➢ 纯铜：398 W/(m·K) ➢ 丝绸：0.363 W/(m·K) ➢ 棉花：0.0589 W/(m·K) ➢ 水： 0.6 W/(m·K) ➢ 空气：0.026 W/(m·K)
➢ 透明度
对辐射线透明者， 大，热阻lr 小；
单晶、玻璃
773 — 1273 K
对辐射线不透明者， 小，热阻lr大；
陶瓷
1773 K以上
对辐射线完全不透明者， = 0，热l阻r 小，
辐射传热就可忽略。
➢ 吸收和散射
透明材料：吸收系数小，在几百摄氏度时，光辐射为 主要传热形式；
不透明材料 : 吸收系数不大，即使在高温下，光子 传热也不是重要的。
热导率 电导率
热流密度 电流密度
热阻
电阻
傅里叶定律 欧姆定律
温度梯度 电势差
第三节 材料的热传导
热传导的基本概念和定律 物理机制 魏德曼-弗兰兹定律 影响因素 热导率的测量
2. 热传导的物理机制（微观机制）
气体传热的机理是什么？
分子碰撞
固体传热的机理是什么？
晶格振动 （声子）
自由电子运动
温度梯度
非稳态法
热流密度
材料的热导率
测试时间长，热损失大
如何控制热流密度 难度较大
在不稳定导热状态测量的方法
温度场随时间的变化 材料的导温系数 材料的比热容 材料的密度
材料的热导率
测量速度快，热 损失较小
热流仪（德国耐驰公司）
上下板的温度恒定 通过样品的温度梯度恒定 通过样品的热流恒定
热流仪工作原理图
无机非金属材料中，在1500 ℃以上，光子传导才是主要的。
➢ 气孔率
材料中存在的气孔能使光发生散射，引起光子 衰减，进而导致光子的平均自由程和光子导热系数 减小。
大多数陶瓷材料具有一定的气孔率，其光子导热系数 总是比玻璃和单晶体小得多，只有在1500℃以上的高温， 其光子导热过程才开始起重要作用。
中国矿业大学 材料科学与工程学院
中国矿业大学 材料科学与工程学院
傅里叶定律
1822年，法国科学家傅里叶提出
Q St T
x
当板材厚度为无限小时，有
dQ S dT
dt
dx
傅里叶定律：热流密度正比与温度梯度。
注意：傅里叶定律只适用于稳态热传导。
一些材料的导热系数
比较一下传热学与电学中的一些物理量
4. 热导率的影响因素
➢ 温度的影响 ➢ 晶体结构的影响 ➢ 化学成分和杂质的影响 ➢ 分子量、密度和弹性模量 ➢ 缺陷和显微结构的影响
晶体
温度的影响
非晶体
晶体的导热系数
低温时，随温度升高，l 值上升，
λ
其上限为晶粒尺寸大小；
当温度达到一定值时，随温度
升高，l 值下降，其下限为几个
晶格间距；
O
T
晶体导热系数曲线的一般形式
高温时，随温度升高，l 值基本 上保持不变。
几种材料的1/l—T曲线
氧化铝单晶的热导率随温度的变化
非晶体的导热系数
中低温，主要是声子导热。 此时，温度升高，热容也升 高，故导热系数λ也升高。
非晶体导热系数曲线
中温到较高温度，热容渐变 为常数，故导热系数λ接近 常数。
第三节 材料的热传导
顾修全
中国矿业大学 材料科学与工程学院
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
本章内容
思考题
为什么坐在火炉旁能够感受到热？ 为什么晒太阳能够取暖？ 热量能否在真空中传递？ 保温材料通常具有什么样的结构？
第三节 材料的热传导
热传导的基本概念和定律 物理机制 魏德曼-弗兰兹定律 影响因素 热导率的测量
热传导过程类似于光在介质中传播的现象。
例如，太阳光、白炽灯、火把等。
黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。
特点：具有最强的辐射和吸收能力。
黑体辐射的能量：
ET
4n2T 4
c
则热容为
CV
E 16n2T 3
T
c
于是，辐射导热系数
r
16
3
n2
T 3
lr
光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。
基体导热系数越高，合金元素对热导率的影响 越大
晶粒越细小，导热系数越低。
无机非金属材料
➢形成固溶体时，由于晶格畸变，缺陷增多，使声子 的散射几率增加，平均自由程减小，热导率减小。
➢溶质元素的质量、大小与溶剂元素相差越大，以及 固溶后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。
MgO - NiO 固溶体的热导率
玻璃体：
cT d
某些建筑材料、耐火砖等：
0 1 bt
将下列物质按热导率大小排序，并说明理由：
（１）铬
（２）银 （３）Ni-Cr合金
（４）石英 （５）铁
第三节 材料的热传导
热传导的基本概念和定律 物理机制 魏德曼-弗兰兹定律 影响因素 热导率的测量
5. 热导率的测量
稳态法
在稳定导热状态测定试样热导率的方法
l
气体分子相互作用或碰撞引起的结果。
自由电子导热机理
1 3
CV
l
自由电子间的相互作用或碰撞。
金属中导热的主要机制
低温下声子导热对金属的贡献将略有增大。
自由电子导热与温度的关系
λ
总的
电子部分
O
T
金属导热系数的理论曲线
➢ 很低温度
随温度线性呈线性变化
➢ 中等温度
不随温度变化而变化
➢ 很高温度
随温度增加略有减小
热辐射的特点
➢可以不需要冷热物体的直接接触。即不需要介质的存在， 在真空中就可以传递能量。
➢在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能
➢无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互 辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体 辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温。
➢ 热电动力堆、锅炉的效率
➢ 航空、航天工业
梯度功能材料
➢ 电子信息工业
小结
基本概念
导热系数、导温系数、傅里叶定律
物理机制
自由电子热导、声子热导、光子热导
影响因素
温度、化学组分、晶体结构、原子序数、气孔率等
魏德曼-弗兰兹定律
导热系数与电导率的关系
感谢下 载
杂质含量越低，杂质含量对热导率的影响越显著； 温度越低，杂质含量对热导率的影响也越显著。
分子量、密度和弹性模量的影响
密度越小，导热系数越大；
压缩系数越小或杨氏模量越大，导热系数越大；
原子量越小，导热系数越大；
对于各向异性的物质，热膨胀系数较小的那个 方向，导热系数越大；反之，热膨胀系数较大 的那个方向，导热系数则较小。