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如何理解材料导热系数?看了这个也许就明白了
发布时间:2020-03-02   点击次数:88次
  大家好,本期内容以铜为对象讨论材料导热系数。从事热设计工作,材料的热物性参数(thermophysicalpropertiesdata)极其重要。但是很多工程师仅仅把这些参数作为分析的输入,进而导致缺乏对材料属性自身的鉴别,甚至影响对计算结果的合理判断。
 
  材料导热系数可根据影响拆分成两个分量:一是电子分量(electronicterm),λe;二是晶格分量(latticeterm),λg。
 
  当然从导热机理上讲,不只有这两种影响因素。但是对于金属而言,大多数材料的导热系数主要受λe和λg的影响。导热系数电子分量λe表征载能电子对导热的影响,而晶格分量λg表征晶格振动对导热的影响,即质子的影响。
 
  在纯金属中,一方面导热系数的晶格分量(latticeterm)λg所占比重通常小于20%,大部分甚至小于5%;另一方面,理论上更容易计算出低温金属材料的电子分量λe,于是金属材料的导热系数是基于电子分量λe来计算的,并通过修正项来考虑晶格分量的影响,以及考虑高温下的实测导热系数数据。
 
  在低温环境下,导热系数电子分量λe主要受制于两种机制:1)电子与质子间的相互作用,2)电子与晶格缺陷的相互作用。电子与质子相互作用产生的热阻Ri大约与温度的平方(T2)成正比,比例系数α为常量与金属材料的类型相关,也就是说该比例系数是金属材料的固有属性。电子与晶格缺陷的相互作用产生的热阻Ro与温度成反比,其比例系数β也是常量,并取决于晶格缺陷比率。
 
  为了更准确地描述材料导热系数,需要基于实验数据对该表达式进行修正。修正的方法是令n为大于2的某个精确小数,以及通过调节α来考虑晶格缺陷的微弱影响。但是这种修正结果仅仅在最大导热系数对应温度的1.5倍温度范围内成立。对于铜、铝、钢、钨钢等材料,前述修正方法适应温度的极限为40K。如果温度超过40K,实际材料的导热系数随温度下降的幅度小于预测公式计算结果。固体物理理论预测金属材料高温度下的导热系数接近某个常数,考虑金属材料的这些实际结果,Cezairliyan和Touloukian对前述表达式进一步修正。修正的方法是向表达式中引入电子——质子因素Ri与电子——晶格缺陷因素Ro间的耦合关系。
 
  修正的公式源自于退火体积材料样品的实验结果,这是因为薄片材料存在较大的机加工表面,进而晶格缺陷比率高于体积材料,同样退火工艺会使金属晶格更为均匀,也是考虑降低晶格缺陷比率。也就是说,最终的修正公式致力于表征材料本身内在的导热系数,即金属材料的化学杂质及晶格缺陷都是非常小的情况。
 
  最后,我们需要意识到金属材料总对导热系数影响不仅限于此,还有物理缺陷、尺寸效应(特别是微纳尺度或纳米尺度)、电磁效应等因素。
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