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(1)晶体结构的影响
晶体结构愈简单、品格波受到的散射愈小,因此平均自由程较大,热导率战高。例如金刚石和石墨是单个元素构成的简单结构的陶瓷,其热导率高。金刚石在室温下的热导900 W/(m.K).它比铜的热导率大2倍多:石墨是层状结构,
因而是各向异性的,奉为在每层内的键合是牢固而呈周期性的,不会导致热激发品格振动的严重散射,因此,层内方向民见高热导本(840 W/(m.K));而层与层之间的健合只靠范德华键,因而品格振动很快衰施。
导致在这个方向的热导率低得多(250 W/(m. K)).陶瓷多晶体的热导率总是比单晶小,这是由于多晶体中晶粒尺寸小晶界多.缺陷多界处杂质也多,声子更易受到散射,所以热导率就小。特别是随着温度升高,多品陶瓷与地
晶材料热导率差异更明显。通常玻璃的热导率较小,而随着温度升高,热导率将增大。这是因为玻璃仅存在近程有序性,其声子平均自由程小,这也就导致石英玻璃的热导率可以比石英晶体低3个数量级。
(2)化学组成的影响
不同化学组成的晶体,热导率往往有很大的差异。-般说来,质点的相对原子质量金小,晶体的密度愈小,杨氏模量愈大,则热导率愈大。对于氧化物和碳化物陶瓷(如BeO,MgO,Al2O3 ,CaO,TiO2 ,NiO,UO2,ThO2,B4C,SiC,TiC等),
凡是阳离子的相对原子质量较小的,即与氧及碳的相对原子质量相近的氧化物和碳化物,其热导率比阳离子相对原子质量较大的要大些。因此在氧化物陶瓷中BeO具有最大的热导率,
在碳化物陶瓷中SiC和B4C的热导率高。在诸如UO2和ThO2等材料中,阴离子和阳离子的尺寸和相对原子质量均相差很大,因而晶格散射大,热导率就低,UO2和ThO2的热导率只有BeO和siC的十分之一。
固溶体可降低热导率,这是因为当原子发生置换形成固溶体时,尽管不改变晶体结构,但离子尺寸和电子分布的微小差别也会导致晶格有相当大的畸变而增加晶格波的散射,从而徒执导率下降。
如MgO和NiO以任何比例取代形成的固溶体热导率均低于MgO或NiO。又如莫来石(AI6Si2O18)比铁铝尖晶石(MgAl2O4)的热导率低得多,而MgAl2O4的热导率又比Al2O3或MgO低--些。
(3)温度的影响
温度对陶瓷材料的热导率有很大的影响,通常随温度升高,大多数陶瓷的热导率下降,但到一定温度时,热导率趋于恒定或开始增大。这可从λ∝cυι进行分析,热容 c 起初是增加的,
但接近常数;平均自由程l与温度成反比(在相当宽的温度范围),但在高温时L值趋于恒定(如TiO2和莫来石);但有些陶瓷达到一定高温时l值增大(如Al2O3、MgO在
1300℃以上,l值开始增大),这是由于光子传导的效应,导致热导率又开始增大。对于玻璃,热容是主要影响因素,热导率一般随温度升高而增 大,图1-21 给出培胞二氧化硅等玻璃热导率与温度的关系(关振铎1992)。
(4)气孔的影响
通常陶瓷材料含有一定的气孔,气孔对热导率的影响是复杂的。一般在温度不是很高,而且气孔率也不大,气孔尺寸很小,又均匀地分散在陶瓷基体中时,这样的气孔就可看作为分散相。因为气孔的热导率很小,与固相热导率相比,可近似看作为零,可因此司用下式表示热导率与气孔体积分数关系:λ=λs(1- p),(1-35)式中λs。
为固相的热导率; p为气孔的体积分数。由此可知,一般情况下气孔体积分数愈高,陶瓷材料的热导率愈低气孔率大的陶瓷保温材料往往具有很低的热导率。对于陶瓷粉末和纤维材料,
其热导率比烧结状态时又低得多,这是因为在其间气孔已形成了连续相,因此材料的热导率就在很大程度上受气孔相的热导率所影响,这也是通常粉末和纤维类材料能有良好的隔热性能的原因。
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