lec10-11材料的熱性能

《lec10-11材料的熱性能》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《lec10-11材料的熱性能（59頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、材 料 的 熱 性 能Thermal Properties of Materials杜宇雷材料科學與工程學院 自 由 電 子 對 熱 容 的 貢 獻 自 由 電 子 對 熱 容 的 貢 獻 僅 在 溫 度 很 低 或 很 高 的情 況 下 才 需 考 慮 。 ？ 1 500KT 2 300KT Q gradTdxdTq 導 溫 系 數 (熱 擴 散 率 )a /（ cp） (m2 s)。物 理 意 義 表 征 物 體 熱 量 傳 輸 能 力 的 重 要 參 數 物 體 吸 收 或 釋 放 的 熱 量物 體 的 導 熱 量aa 物 體 傳 播 熱 量 的 能 力 強 或 物 體 傳 播 熱 量

2、的 速 度 快 a 物 體 傳 播 熱 量 的 能 力 弱 或 物 體 傳 播 熱 量 的 速 度 慢 熱 阻 R 熱 量 傳 遞 所 受 阻 力 。 1 500KT 2 300KT p 大 p 小 T1 小 具 有 :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大 具 有 :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 數聲 子 的 熱 傳 導平 衡 時 ：同 樣 多 的 振 動 模 式 振同 樣 多 的 振 動 振 幅同 樣 多 的 聲 子 被 激 發(fā)同 樣 多 的 聲 子

3、 數dT/dx(溫 度 梯 度 ）作用于產生電 子聲 子 晶 體eph 從 晶 格 格 波 的 聲 子 理 論 可 知 ， 熱 傳 導 過 程 -聲 子 從高 濃 度 區(qū) 域 到 低 濃 度 區(qū) 域 的 擴 散 過 程 。熱 阻 ： 聲 子 擴 散 過 程 中 的 各 種 散 射 。根 據 氣 體 熱 傳 導 的 經 典 分 子 動 力 學 ， 熱 傳 導 系 數 ： =cvvl/3聲 子 的 熱 傳 導 機 理Cv： 單 位 體 積 氣 體 分 子 的 比 熱 -單 位 體 積 中 聲 子 的 比 熱 ； v ： 氣 體 分 子 的 運 動 速 度 -聲 子 的 運 動 速 度 ； l： 氣

4、 體 分 子 的 平 均 自 由 程 -聲 子 的 平 均 自 由 程 。C v在 高 溫 時 ， 接 近 常 數 ， 在 低 溫 時 它 隨 T 3 變 化 ； 聲 速 v 為 一 常 數 。 影 響 熱 傳 導 性 質 的 聲 子 散 射 主 要 有 四 種 機 構 ： Kn =0形 成 新 聲 子 的 動 量 方 向和 原 來 兩 個 聲 子 的 方 向相 一 致 ， 此 時 無 多 大 的熱 阻 。 -正 規(guī) 過 程 q1 + q2 = q 3 +Kn 或 q1 + q2 Kn = q 3（ 1 ） 聲 子 的 碰 撞 過 程 q1 ， q2 相 當 大 時 ， Kn 0 ，碰 撞 后

5、 ， 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 ） Kn q1 + q2 q2q1 q 3聲 子 碰 撞 的 幾 率 ： exp(- D/2 T) 即 溫 度 越 高 ， 聲 子 間 的 碰 撞 頻 率 越高 ， 則 聲 子 的 平 均 自 由 程 越 短 。 散 射 強 弱 與 點 缺 陷 的 大 小 和 聲 子 的 波 長 相 對 大 小 有 關 。 qT 在 低 溫 時 ， 為 長 波 ， 波 長 比 點 缺陷 大 的 多 ， 估 計 ： 波 長 D a/T猶 如 光 線 照 射 微 粒 一 樣 ， 從

6、雷 利公 式 知 : 散 射 的 幾 率 1 /4 T4 ,平 均 自 由 程 與 T4 成 反 比 .在 高 溫 時 ， 聲 子 的 波 長 和 點 缺 陷大 小 相 近 似 ， 點 缺 陷 引 起 的 熱 阻與 溫 度 無 關 。 平 均 自 由 程 為 一 常數 。（ 2 ） 點 缺 陷 的 散 射 點 缺 陷 的 大 小 是 原 子 的 大 小 ： 在 位 錯 附 近 有 應 力 場 存 在 ， 引 起 聲 子 的 散 射 ， 其 散 射與 T2 成 正 比 。 平 均 自 由 程 與 T2 成 反 比 。（ 3 ） 晶 界 散 射聲 子 的 平 均 自 由 程 隨 溫 度 降 低 而

7、 增 長 ， 增 大 到 晶 粒 大 小 時 為 止 ， 即 為 一 常 數 。晶 界 散 射 和 晶 粒 的 直 徑 d成 反 比 ， 平 均 自 由 程 與 d成 正 比 。（ 4 ） 位 錯 的 散 射 T3 4 0 K 1 6 0 0 K exp(D/2 T) 熱 輻 射 氧 化 鋁單 晶 的熱 導 率隨 溫 度的 變 化（ 1 ） 溫 度 的 影 響影 響 熱 導 率 的 因 素 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 1 6 0 0 2 0 0 010 .10 .0 10 .0 0 10 .0 0 0 1 Pt 石 墨SiC粘 土 耐 火 磚SiO2 玻 璃 粉 末 MgO2

8、8 0 0 0 F隔 熱 磚2 0 0 0 0 F隔 熱 磚 MgOAl2 O3 ZrO2溫 度 (0 C) BeO熱傳導系數(卡/秒厘米0 C) 線 性 簡 諧 振 動 時 ， 幾 乎 無 熱 阻 ， 熱 阻 是 由 非 線性 振 動 引 起 ， 即 ： 晶 格 偏 離 諧 振 程 度 越 大 ， 熱阻 越 大 。 物 質 組 分 原 子 量 之 差 越 小 ，質 點 的 原 子 量 越 小 ， 密 度越 小 德 拜 溫 度 越 大 ，結 合 能 大 熱 傳 導 系 數 越 大（ 2 ） 化 學 組 成 的 影 響 單 質 具 有 較 大 的 導 熱系 數金 剛 石 的 熱 傳 導 系 數

9、比任 何 其 他 材 料 都 大 ， 常用 于 固 體 器 件 的 基 片 。例 如 ； GaAs激 光 器 做在 上 面 ， 能 輸 出 大 功 率 。 較 低 原 子 量 的 正 離 子 形 成 的 氧 化 物 和 碳 化 物 具 有較 高 的 熱 傳 導 系 數 ， 如 : BeO,SiC 5 1 0 3 0 1 0 0 3 0 0 原 子 量 UC SiBe B MgAl ZnNi Th碳 化 物氧 化 物 Ca Ti 晶 體 是 置 換 型 固溶 體 ， 非 計 量 化 合物 時 ， 熱 傳 導 系 數降 低 。 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0MgO 體 積 分 數

10、NiO 熱傳導系數(卡/秒厘米0 C 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 化 學 組 成 復 雜 的固 體 具 有 小 的 熱 傳導 系 數如 MgO,Al2 O3 和MgAl2 O4 結 構 一 樣 ，而 MgAl2 O4 的 熱 傳 導系 數 低 ， 2 Al2 O3 3 SiO2莫 來 石 比 尖 晶 石 更小 . 晶 粒 尺 寸 小 、 晶 界 多 、缺 陷 多 、 晶 界 處 雜 質多 ， 對 聲 子 散 射 大 。A 晶 體 結 構 越 復 雜 ， 晶 格 振 動 偏 離 非 線 性 越 大 ， 熱導 率 越 低 。B 晶 向 不 同 ， 熱 傳 導 系 數

11、 也 不 一 樣 ， 如 ： 石 墨 、 BN為 層 狀 結 構 ， 層 內 比 層 間 的 大 4 倍 ， 在 空 間 技 術 中用 于 屏 蔽 材 料 。C 多 晶 體 與 單 晶 體 同 一 種 物 質 多 晶 體 的 熱 導 率 總比 單 晶 小 。(3 ) 結 構 的 影 響 非 晶 體 晶 體 與 非 晶 體0 T(K) 4 0 0 6 0 0 K 6 0 0 9 0 0 K 0 T(K) 可 以 把 玻 璃 看 作 直 徑 為 幾 個 晶 格 間 距 的 極 細 晶 粒 組 成 的多 晶 體 。（ 4 ） 非 晶 體 的 熱 導 率 由 于 非 晶 體 材 料 特 有 的 無 序

12、 結 構 ， 聲 子 平 均 自 由 程都 被 限 制 在 幾 個 晶 胞 間 距 的 量 級 ， 因 而 組 分 對 其 影響 小 。說 明 ： 非 晶 體 的 聲 子 導 熱 系 數 在 所 有 溫 度 下 都 比 晶 體 小 ； 兩 者 在 高 溫 下 比 較 接 近 ； 兩 者 曲 線 的 重 大 區(qū) 別 在 于 晶 體 有 一 峰 值 。 一 般 情 況 下 ， 介 于 兩 者 曲 線 之 間 ， 可 能 出 現 三 種 情況 ： 當 材 料 中 所 含 有 晶 相 比 非 晶 相 多 時 ， 在 一 般 溫 度以 上 ， 熱 導 率 隨 溫 度 上 升 而 有 所 下 降 。 在

13、高 溫 下 熱導 率 基 本 上 不 隨 溫 度 變 化 ； 當 材 料 中 所 含 的 非 晶 相 比 晶 相 多 時 ， 熱 導 率 隨 溫度 升 高 而 增 大 ； 當 材 料 中 所 含 的 非 晶 相 比 晶 相 多 時 ， 熱 導 率 可 以在 一 個 相 當 的 范 圍 內 基 本 保 持 常 數 。（ 5 ） 晶 相 和 非 晶 相 同 時 存 在 (6 ) 復 合 材 料 的 熱 導 率 體 積 分 數 較 小 相 為連 續(xù) 相 （ 如 液 相 ）A 層 狀 模 型 的 熱 導 率取 決 于 每 一 相 的 熱 導 率 和 熱 流 方 向 ：兩 相 材 料 的 相 分 布 模

14、 型層 狀 模 型 體 積 分 數 較 大 的 相為 連 續(xù) 相 熱 流 的 方 向 平 行 于 各 層 ， 兩 相 的 溫 度 梯 度 相 同 ， 則平 行 系 統 的 熱 阻 率 的 倒 數 等 于 各 層 熱 阻 率 的 倒 數 之 和 ： =V1 1 +V2 2 當 兩 相 的 熱 導 率 相 差 很 大 時 ， 熱 主 要 由 傳 熱 較 好 的相 傳 遞 ： =V1 1 當 熱 流 方 向 與 平 行 層 垂 直 時 ， 通 過 所 有 各 層 的 熱 流密 度 相 同 ， 但 每 一 相 中 的 溫 度 梯 度 不 同 ， 總 熱 阻 率 由各 項 熱 阻 率 的 加 權 平 均

15、 給 出 ， 即 1 / =V1 / 1 +V2 / 2系 統 的 熱 導 率 幾 乎 只 取 決 于 導 熱 較 差 的 相 ， 當 第 一 相導 熱 差 時 ： 1 / =V 1 / 1 B 體 積 分 數 較 大 的 相 為 連 續(xù) 相 兩 相 系 統 較 好 的 模 型 （ 分 散 相 的 體 積 分 數 不 超 過1 0 ） 1 -分 散 相 的 熱 導 率 ； 2 -連 續(xù) 相 的 熱 導 率 . 1 ( 2 / 1 )(2 2 / 1 )+11 +2 V 1 1 ( 2 / 1 )(2 2 / 1 )+11 V1 = 2 2 / 1 1 1 V11 +V1 /2 = 2 2 /

16、1 1高 溫 ， 輻 射 在 傳 熱 中 開 始 發(fā) 揮 作 用 ， 此 時 ， 通 過 材 料中 氣 孔 以 輻 射 傳 遞 的 熱 量 不 可 忽 略 ， 輻 射 對 傳 熱 貢 獻正 比 于 氣 孔 大 小 和 溫 度 三 次 方 。 高 溫 ， 大 的 氣 孔 不 僅 不 降 低 熱 傳 遞 ， 而 且 在 某 種 程度 上 ， 隨 著 溫 度 的 增 加 ， 大 的 氣 孔 增 加 有 效 熱 導 率 。 無 論 在 高 溫 或 低 溫 ， 小 的 氣 孔 均 阻 礙 熱 流 動 ， 在 多相 多 孔 材 料 中 ， 熱 傳 遞 的 模 式 可 能 以 很 復 雜 的 方 式 隨溫

17、度 變 化 。 金 屬 熱 導 率金 屬 的 熱 導 率 可 以 歸 結 為 自 由 電 子 的 貢 獻 。 套 用 理想 氣 體 熱 導 率 公 式 得 ： 23131 VV CC 其 中 CV是 電 子 氣 熱 容 ， v是 電 子 運 動 的 平 均 速 度 ， 是 電 子 平 均 自 由 程 ， 是 電 子 弛 豫 時 間 。gradTdxdTq 2nem 2 231 nemcV 計 算 比 值 ：應 用 經 典 統 計 的 結 果 ： Tkm nkc BBV 2321 232 有 ： Tek B 223 (1 .5 .3 )(1 .5 .4 )(1 .5 .5 )(1 .5 .6 )

18、 223 ekT B這 就 是 Wiedemann-Franz關 系 ， 該 常 數 被 稱 為Lorenz數 （ Lorenz number） 。 28 /1022.2 WT 宗 燕 兵 2 9 純 金 屬 的 導 熱 ：金 屬 導 熱 與 導 電 機 理 一 致 ； 良 導 電 體 為 良 導 熱 體 ：金 屬 的 導 熱 系 數 ：(晶 格 振 動 的 加 強 干 擾 自 由 電子 運 動 ) 鋁金銅銀 T 宗 燕 兵 3 0 合 金 ： 金 屬 中 摻 入 任 何 雜 質 將 破 壞 晶 格 的 完 整 性 ， 干 擾 自 由 電 子 的 運 動金 屬 的 加 工 過 程 也 會 造

19、成 晶 格 的 缺 陷合 金 的 導 熱 ：(溫 度 升 高 、 晶 格 振 動 加 強 、 導 熱 增 強 )如 常 溫 下 ： 黃 銅 ： 7 0 %Cu, 3 0 %Zn純 金 屬合 金 Cmw /398純 銅 Cmw /109黃 銅 T 材 料 的 熱 穩(wěn) 定 性 熱 穩(wěn) 定 性 （ 抗 熱 震 性 ） ：材 料 承 受 溫 度 的 急 劇 變 化 （ 熱 沖 擊 ） 而 不致 破 壞 的 能 力 。熱 沖 擊 損 壞 的 類 型 ：抗 熱 沖 擊 斷 裂 性 -材 料 發(fā) 生 瞬 時 斷 裂 ；抗 熱 沖 擊 損 傷 性 -在 熱 沖 擊 循 環(huán) 作 用 下 ，材 料 的 表 面 開

20、 裂 、 剝 落 、 并 不 斷 發(fā) 展 ， 最終 碎 裂 或 變 質 。 熱 穩(wěn) 定 性 的 表 示 方 法1 . 一 定 規(guī) 格 的 試 樣 ， 加 熱 到 一 定 溫 度 ， 然 后 立 即置 于 室 溫 的 流 動 水 中 急 冷 ， 并 逐 次 提 高 溫 度 和 重 復急 冷 ， 直 至 觀 察 到 試 樣 發(fā) 生 龜 裂 ， 則 以 產 生 龜 裂 的前 一 次 加 熱 溫 度 0 C表 示 。 （ 日 用 瓷 ）2 . 試 樣 的 一 端 加 熱 到 某 一 溫 度 ， 并 保 溫 一 定 時 間 ，然 后 置 于 一 定 溫 度 的 流 動 水 中 或 在 空 氣 中 一 定

21、 時間 ， 重 復 這 樣 的 操 作 ， 直 至 試 樣 失 重 2 0 %為 止 ， 以其 操 作 次 數 n表 示 。耐 火 材 料 ： 1 1 2 3 K； 4 0 min ； 2 8 3 2 9 3 K； 3 (5 1 0 )min 在 復 合 體 中 ， 由 于 兩 種 材 料 的 熱 膨 脹 系 數 之 間 或 結 晶 學方 向 有 大 的 差 別 ， 形 成 應 力 ， 如 果 該 應 力 過 大 ， 就 可 以在 復 合 體 中 引 起 微 裂 紋 。在 材 料 中 存 在 微 裂 紋 ， 測 出 的 熱 膨 脹 系 數 出 現 滯 后 現 象- 膨 脹 系 數 低 于 單

22、晶 的 膨 脹 系 數 。例 如 ： 在 一 些 TiO2 組 成 物 中 ， 有 此 現 象 。3 . 試 樣 加 熱 到 一 定 溫 度 后 ， 在 水 中 急 冷 ， 然 后 測 其 抗折 強 度 的 損 失 率 ， 作 為 熱 穩(wěn) 定 性 的 指 標 。 （ 高 溫 結 構材 料 ） 。熱 應 力 僅 由 于 材 料 熱 膨 脹 或 收 縮 引 起 的 內應 力 稱 為 熱 應 力 。 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 溫 度 （ 0 C）0 .80 .60 .40 .20 .0膨脹（%） 由 于 存 在 顯 微裂 紋 而 引 起 的多 晶 的 熱 膨 脹滯 后 現 象1 .

23、 熱 應 力 的 產 生（ 1 ） 因 熱 脹 冷 縮 受 到 限 制 而 產 生 的 熱 應 力(2 )因 溫 度 梯 度 而 產 生 熱 應 力（ 3 ） 多 相 復 合 材 料 因 各 相 膨 脹 系 數 不 同 而 產 生 熱應 力 抗 熱 沖 擊 性 能 抗 熱 沖 擊 斷 裂 性 能考 慮 問 題 的 出 發(fā) 點 ：從 熱 彈 性 力 學 的 觀 點 出 發(fā) ， 以 強 度 -應 力 為 判 據 ，即 材 料 中 的 熱 應 力 達 到 強 度 極 限 時 發(fā) 生 斷 裂 。1 . 第 一 熱 應 力 斷 裂 抵 抗 因 子 R僅 考 慮 最 大 的 熱 應 力 : T max=

24、f (1 )/ E (1 )/ E 表 征 材 料 熱 穩(wěn) 定 性 的 因 子 （ 第 一 熱 應 力 斷 裂抵 抗 因 子 或 第 一 熱 應 力 因 子 ） 考 慮 承 受 的 最 大 溫 差 與 最 大 熱 應 力 、 材 料 中 的 應 力 分布 、 產 生 的 速 率 和 持 續(xù) 時 間 ， 材 料 的 特 性 （ 塑 性 、 均勻 性 、 弛 豫 性 ） ， 裂 紋 、 缺 陷 、 散 熱 有 關 。2 . 第 二 熱 應 力 斷 裂 抵 抗 因 子 R 材 料 的 熱 導 率 ： 熱 導 率 越 大 ， 傳 熱 越 快 ， 熱 應力 持 續(xù) 一 定 時 間 后 很 快 緩 解 ，

25、 對 熱 穩(wěn) 定 性 有 利 。 傳 熱 的 途 徑 ： 材 料 的 厚 薄 2 rm， 薄 的 材 料 傳 熱 途徑 短 ， 易 使 溫 度 均 勻 快 。 材 料 的 表 面 散 熱 速 率 ： 表 面 向 外 散 熱 快 ， 材 料內 外 溫 差 大 ， 熱 應 力 大 ， 引 入 表 面 熱 傳 遞 系 數 h-材 料 表 面 溫 度 比 周 圍 環(huán) 境 高 單 位 溫 度 ， 在 單 位 表面 積 上 ， 單 位 時 間 帶 走 的 熱 量 （ J/scm2 oC)。影 響 散 熱 的 三 方 面 因 素 ， 綜 合 為 畢 奧 模 數 =hrm/，無 單 位 。 越 大 對 熱 穩(wěn)

26、 定 性 不 利 。材 料 的 散 熱 與 下 列 因 素 有 關 條 件 h(J/scm2oC)空 氣 流 過 圓 柱 體 流 速 287kg/(sm2) 0.109 流 速 120 0.050 流 速 12 0.0113 流 速 0.12 0.0011 從 1000oC向 0oC輻 射 0.0147 從 500oC向 0oC輻 射 0.00398水 淬 0.4 4.1噴 氣 渦 輪 機 葉 片 0.021 0.08 h實 測 值 無 因 次 表 面 應 力由 于 散 熱 等 因 素 ， 使 引 起 的 最 大 熱 應 力 滯 后 ， 且 數 值折 減 。 = / max -無 因 次 表

27、面 應 力=2 01 0 5 3 21 .5 1 .00 .50 .1時 間無因次應力*具 有 不 同 的 無 限 平 板 的 無因 次 應 力 *隨 時 間 的 變 化 *越 大 ， 實 測 的 最 大 應 力 越大 ， 折 減 越 小 。 越 大 ， *越 大 ， 折 減 越 小 。達 到 最 大 都 需 經 過 一 定 時間 ， 即 滯 后 。越 小 ， 滯 后 越 大 ， 即 達 到實 際 最 大 應 力 所 需 的 時 間 越長 。 驟 冷 時 的 最 大 溫 差 只 使 用 于 2 0 的 情 況 。水 淬 玻 璃 : =0 .0 1 7 J/(cmsK), h=1 .6 7 J/

28、(cm2 sK), 2 0 由 =hrm/得 ： rm0 .2 cm，才 可 以 用 Tmax= f (1 )/ E 即 玻 璃 的 厚 度 小 于 4 時 ， 最 大 熱 應 力 隨 玻 璃 的 厚 度 減小 而 減 小 。 對 流 和 輻 射 傳 熱 時 的 *max *max=0 .3 1 rmh/ 承 受 的 最 大 溫 差 : Tmax= max (1 )/ E *max= / max得 ： Tmax= f (1 )/ E 1 / 0 .3 1 rmh R= f (1 )/ E (第 二 熱 應 力 斷 裂 抵 抗 因 子 ) 單 位 ： J/(cms)考 慮 形 狀 因 子 時 ：

29、 T max=S R 1 / 0 .3 1 rmh Al2 O3粘 土 耐 火 磚 熔 融 SiO2TiC金 屬 陶 瓷BeOAl2 O3 1 0 0 oCTiC鋯 英 石MgO瓷 器玻 璃 ZrO2 Al2 O31 0 0 0 oC0 .0 0 1 0 .0 0 3 0 .0 1 0 .0 3 0 .1 0 .3 1 .0 3 .0 1 0 1 0 0 0 0 3 0 0 0 1 0 0 0 3 0 0 1 0 0 3 0 1 0 水 淬 從 1 0 0 0 oC輻 射 強 制 對 流 空 氣 噴 氣 渦 輪 機 葉 片rmhT 3 . 第 三 熱 應 力 因 子r m x yTc-Ts =

30、ToTavTs Tc厚 度 為 的 無 限 平 板 ， 在 降溫 過 程 中 內 外 溫 度 的 變 化 表 面 與 中 心 之 間 的 溫 度分 布 呈 拋 物 線 形 Tc T=kx2 dT/dx=2 kx d2 T/dx2 =2 k在 平 板 的 表 面 Tc Ts=kr m2 =To消 去 k,得 : d2 T/dx2 =2 To/rm2 冷 卻 速 率 dT/dt引 起 材 料 中 的 溫 度 梯 度 及 熱 應 力 又 根 據 不 穩(wěn) 定 傳 熱 過 程 （ 物 體 內 各 處 的 溫 度 隨 時 間 而 變化 ),物 體 內 單 位 面 積 上 溫 度 隨 時 間 的 變 化 率

31、 為 : T/t= /cp 2 T/x2 T/t= 2 To /cp rm2 To=Tc Ts=(T/t rm2 0 .5 )/( /cp ) /cp-導 溫 系 數 或 熱 擴 散 系 數 （ 表 征 材 料 在 溫 度 變化 時 ， 內 部 各 部 分 溫 度 趨 于 均 勻 能 力 ） 。無 限 平 板 的 平 均 溫 度 ： Tav= (Tc kx2 )dx/r m=2 /3 Trmo由 表 面 溫 度 與 中 心 溫 度 之 差 引 起 表 面 張 應 力 ， 與 表 面溫 度 和 平 均 溫 度 之 差 成 正 比 。 Tav Ts= (1 )/ E 在 臨 界 溫 差 ， Tav

32、 Ts= f (1 )/ E =2 /3 To= Tmax 最 大 冷 卻 速 率 ： |dT/dt|max= /cp f (1 )/ E 3 / rm2第 三 熱 應 力 因 子 ： R= /cp f (1 )/ E = R/ cp 最 大 冷 卻 速 率 可 以 簡 化 為 ： |dT/dt|max= R 3 / rm2 1 . 提 高 材 料 的 強 度 f， 減 小 彈 性 模 量 E。2 . 提 高 材 料 的 熱 導 率 。3 . 減 小 材 料 的 熱 膨 脹 系 數 。4 . 減 小 表 面 熱 傳 遞 系 數 h。5 . 減 小 產 品 的 有 效 厚 度 rm。提 高 抗

33、熱 沖 擊 斷 裂 性 能 的 措 施 抗 熱 沖 擊 損 傷 性適 合 于 含 有 微 孔 的 材 料 、 非 均 質 的 金 屬 陶 瓷 。瞬 時 不 斷 裂 的 原 因 是 微 裂 紋 被 微 孔 、 晶 界 、 金 屬 相所 釘 扎 。例 如 ： 耐 火 磚 中 含 有 氣 孔 率 時 具 有 最 好 的 抗 熱 沖 擊損 傷 性 ， 但 氣 孔 的 存 在 會 降 低 材 料 的 強 度 和 熱 導 率 ，熱 應 力 因 子 減 小 。 從 斷 裂 力 學 的 觀 點 出 發(fā) 以 應 變 能 -斷 裂 能 為 判據 。材 料 中 微 裂 紋 擴 展 、 蔓 延 的 程 度 ， 積 存

34、 的 彈 性應 變 能 、 裂 紋 擴 展 的 斷 裂 表 面 能 影 響 材 料 的 抗熱 損 傷 性 。積 存 的 彈 性 應 變 能 較 小 ， 材 料 的 擴 展 小 ； 裂 紋擴 展 的 斷 裂 表 面 能 大 ， 裂 紋 的 蔓 延 程 度 小 。1 . 考 慮 問 題 的 出 發(fā) 點 抗 熱 應 力 損 傷 性 正 比 于 斷 裂 表 面 能 ， 反 比 于 應 變 能的 釋 放 率 。 RE/2 (1 ) 材 料 彈 性 應 變 能 釋 放 率 的 倒 數 ， 用 于 比 較 具 有 相 同斷 裂 表 面 能 的 材 料 。 RE 2 eff/2 (1 )用 于 比 較 具 有

35、 不 同 斷 裂 表 面 能 的 材 料 。強 度 高 的 材 料 原 有 裂 紋 在 熱 應 力 的 作 用 下 容 易 擴 展蔓 延 ， 對 熱 穩(wěn) 定 性 不 利 。2 . 抗 熱 應 力 損 傷 因 子 材 料 的 熱 性 能Thermal Properties of Materials杜宇雷材料科學與工程學院 熱 電 材 料 是 一 類 能 夠 實 現 熱 能 和 電能 之 間 直 接 轉 換 的 特 殊 功 能 材 料 ， 它 具有 Seebeck效 應 ,Peltier效 應 以 及 Thomson效 應 。材 料 的 熱 電 性 與 熱 電 材 料 Seebeck效 應 當 兩

36、 種 不 同 的 導 體 或 者 半 導 體 在 兩 個 接 觸點 存 在 溫 差 時 ， 如 果 是 閉 合 回 路 的 話 就 會 產 生 電流 ， 而 如 果 是 斷 路 的 話 就 會 產 生 電 勢 差 ， 此 即 為Seebeck 效 應 。abV = T Peltier效 應 當 兩 種 不 同 的 導 體 或 者 半 導 體 所 形 成 的 閉 合回 路 通 以 電 流 的 時 候 ， 會 在 兩 個 接 觸 點 產 生 一 端 吸熱 一 端 放 熱 的 現 象 ， 此 即 為 Peltier效 應 。 exothermicThomson效 應 當 單 一 導 體 或 半 導

37、體 在 兩 端 有 溫 差 以及 有 電 流 通 過 時 ， 會 在 此 導 體 或 半 導 體 上 產生 吸 熱 或 放 熱 的 現 象 ， 此 即 為 Thomson效 應 。 生 活 中 的 熱 電 效 應 應 用 （ Radioisotope thermoelectric generators） RTGs 應 用 于 航 天 器熱 電 效 應 的 應 用 Peltier效 應 的 物 理 機 制 電 流 可 以 歸 為 電 子 的 運 動 。 在 不 同 的 導 電 材 料 中 ， 電 子所 處 能 級 并 不 相 同 。 若 從 低 能 級 運 動 至 高 能 級 ， 就 需 要 將

38、 部 分動 能 轉 化 為 勢 能 ， 速 度 降 低 。 微 觀 運 動 速 度 是 溫 度 的 表 征 ， 表現 在 宏 觀 上 ， 就 是 溫 度 的 下 降 。 反 之 則 是 溫 度 升 高 。 在 下 圖 中 ，紅 綠 色 區(qū) 域 分 別 表 示 不 同 的 材 料 ， 電 子 在 綠 色 部 分 能 級 較 低 ， 紅 色 部 分 能 級 高 ， 因 此 電 流 從 綠 色 流 至 紅 色 時 ， 在 接 合 處 就 是降 溫 區(qū) （ 上 ） ， 由 紅 至 綠 的 接 合 點 則 為 升 溫 區(qū) （ 下 ） 。 熱 電 材 料 的 評 估 標 準 熱 電 材 料 的 性 能 采

39、 用 無 量 綱 ZT值 的 大 小 來 衡 量 ，其 中 Z為 熱 電 品 質 因 素 （ figure of merit） ； T為 絕 對溫 度 。 2( ) e gTZT Seebeck CoefficientElectrical Resistivity Thermal Conductivitye Electronic L0T/ (W-F relation)g Lattice AgPbmSbTe2m 家 用 冰 箱 的 能 量 轉 換 效 率 （ 卡 諾 系 數 ） ： 30 大 型 中 央 空 調 設 備 的 卡 諾 系 數 ： 90 現 有 熱 電 材 料 (ZT 1.0)的 卡 諾 系 數 ： 10