现代热物性测试方法 主要内容 1. 热物性测试方法概述 2. 物质的比热容与规律性 3. 比热的测试方法和装置 4. 物质的热导率及其规律性 5. 热导率测试方法和装置 6. 热扩散率的测试方法和装置 7 热膨胀系数测定方法 参考文献 胡芃 ，陈泽韶. 量热技术和热物性测定【第二版】M. 合肥：中国 科学技术大学出版社. 2009. 黄素逸，周怀春.现代热物理测试技术M.北京：清华大学出版社 .2008. 张靖周.高等传热学M.北京：科学出版社.2009. 奚同庚. 无机材料热物性学M . 上海科学技术出版社.1981. 蔡明忠. 金属低温热学和电学性质M. 北京: 冶金工业出版社.1990. 中国金属学会，中国有色金属学会.金属物理性能及测试方法M.北京 ：冶金工业出版社. 曹玉璋，邱绪光.实验传热学M.北京：国防工业出版社.1998. 刘静.微米/纳米尺度传热学M.北京：科学出版社.2001. 材料热物性测试实验指导书 . 杭州精科仪器有限公司。 美 Y.S. 杜洛金著. 奚同庚 王梅华等译: 固体热物理性质导论理 论和测量M.中国计量出版社.1987 . K.D. Magic et al. Compendium of Thermophysical Property Measurement Methods. New York：plenum Press , 1984 J .E.Parrott, A.D.Stuckes. Thermal Conductivity of solids. London,1975 . 有关热物理性能测试的科研项目 熔盐相变蓄热材料热物性测试新方法研究.国家自然科学基 金项目 高密度电子封装传热过程的计算机仿真与优化及无铅焊料 和导电胶的热物性测定.中瑞政府间科技合作项目 高密度电子封装传热的全息仿真及无污染焊料的热物性测 试.高等学校博士学科点专项科研基金 金属相变过程固、液相熔点热物性动态测定方法.国家自 然科学基金项目 利用相界面移动速率测定热物性的研究. 国家教委回国人 员基金项目 有色金属及合金熔点温度下导热系数测定方法和装置.中 国有色金属工业总公司 1. 序言 （1）什么是热物理性能（热物性） ？ 材料的热物理性能 (thermophysical property) 是指材 料在热学过程中所表现出来的反映各种热力学特性的参 数的总称，它系统地反映了材料的载热能力和热输运能 力。 密度、比热、热导率、热扩散率、熔解热、热膨胀 系数、粘度、表面发射率与吸收率、熔点、沸点 热物性举例 热导率（导热系数，thermal conductivity): , W/(m.K), （经验感知）其值小，隔热，节能，如炉壁 导温系数 （热扩散率，thermal diffusivity): a ,m2/s，其 值大，均温快，温差小 比热（specific heat): c，值大，蓄热多，如热风炉；值 小，升温快，如轻质炉衬 热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE)： , 值大，热应力大: 双金属测温，热失配现象； 表面发射率（emissivity)： 值大，辐射传热多，炉内 壁加涂料,外壁涂银粉隔热，无惰性炉 （2） 为什么要研究热物性参数？ 目标：揭示物质的载热能力和热输运能力。 意义： p评价、衡量材料能否适用于具体热过程的技术依据； p对热过程进行研究、计算和工程设计的关键参数； p揭示与研究材料的相变、缺陷、微裂纹和晶化等微观 结构变化的重要手段。 （3）什么是热物性学？ 热物性学是研究物质的热物理性质的理论。 热物性的影响因素： 化学成分，物质形态, 结构，晶格振动，分子热运动， 杂质分布，气孔率，气孔大小及分布 热物性学研究内容： 宏观热物性与微观结构的联系； 不同工作状态下的变化规律； 热物性测定方法（包括测试方法的物理模型、测试原理 、试验装置、数据处理、误差分析） （4） 热物性测试的重要性 普遍性 能源动力工程、机械工业、化工工业、电力输运、电子 技术、石油热采与输运、服装、农林、食品、建筑、航空 航天、生命科学与工程、人体科学 基础性 一切热设计和研究具体热过程的基础；工程热物理专业 基础课程 开拓性 经济性 节约能源、提高设备热效率、发掘新材料、认识新领域 应用举例 元器件的热噪声、响应时间、及各封装器件的膨胀匹配均 与热物性相关； 大功率激光器的晶体工作物质导热与导温性能决定其散热 速率； 晶体的导热、导温性能是晶格振动的直接反映，通过对其 研究，可获得声子运动、声子间碰撞、散射和声子与晶体缺陷 相互作用的大量信息。 比热容是研究晶格振动、电子分布、磁性材料能级以及分 子中有序-无序的有力工具。 比热容和热膨胀出现的异常，为研究包括超导相变、磁导 相变、铁电相变和部分有序-无序相变在内的二级相变提供了 重要的判据。 热物性异常研究意义 铁电体导热系数在居里点出现不连续突变（发生铁电 相变），故导温系数与导热系数可作为研究铁电性能材 料铁电相变和确定相变温度（居里点）的一种新方法。 （5） 热物性测试的特点 属于传热逆问题 影响热物性的因素很多，很复杂 不能进行精确计算，主要依靠实验测定 （6）微纳米材料热物性参数 对于块状材料，其热物性与几何参数无关，是材料的本质属性。 但在微纳米尺度范围，随着尺度和维度的减少，表面（界面）、缺陷和杂 质等因素对材料特性的影响已不能忽略，微纳米材料的热物性如比热、热 导率、热扩散系数、熔点、热膨胀系数等往往与宏观体系存在显著差异。 u 比热容：量子尺寸效应将导致内部声子色散关系由连续变为离散，使 德拜关于固体比热容在低温时遵守的T3规律不再适用；近邻原子数目通常 小于内部原子的配位数，使得表面原子的振动存在软化现象，即振动频率 衰减。块状材料表面原子所占百分数可忽略不计，振动软化现象不明显。 但对于纳米尺度的晶体，表面原子所占的百分比较大，甚至占据了主要地 位，因此必须考虑表面原子振动软化因素的影响。 u 热导率：傅里叶定律不适合分析高温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和 厚度区域内的热传导问题，在微尺度区域内，晶格振动或声子的热传导表 现为辐射传热形式。oltzmann输运理论被公认为是最具普适性和最有效的工 具（几乎所有宏观输运方程如傅里叶定律、Ohm定律、Fick定律均可由该方 程导出） u 表面原子具有的相对较高的表面能使纳米材料处于亚稳状态，热稳定性 降低，表现为德拜温度降低，熔点降低，超导温度升高，晶格振动比热增 加。 实验与论文 论文（五选二） p 非均相材料导热系数测定方法探讨 p 薄膜材料热扩散率测定方法探讨 p 熔融盐相变材料导热机理与测试方法探讨 p 微纳米管状材料导热系数测定方法探讨 p 相变潜热测定方法探讨 实验与论文 实验（四选三） p 金属比热容测试研究 p 金属线膨胀系数测试研究 p 液体粘度测试研究 p 固体导热系数测定研究 2. 比热容经典理论及测试方法 2.1 热容概述 2.2 热容经典理论 2.3 测试方法 2.1 热容概述 单位质量物体温度升高1K所必需的热量，J/(kg.K)。 定压比热容 定容比热容 摩尔定压比热容与定容比热容间的关系 （1）理想气体比热容 由分子平动比热容，转动比热容，振动比热容组成 根据能量均分原则，物质分子每一个自由度均具有 相同的平均平动动能、平均转动动能、平均振动动能， 且等于kT/2.(k波尔兹曼常数) 1摩尔理想气体所具有的能量 则定容比热容、定压比热容表述为 2.2 热容经典理论 适用范围 建立在能量均分定理基础上的定容热容的理论值， 仅在高温低密度时才能与实验事实相吻合，在低温高密 度区域内，只有量子理论才能对物体定容热容的数值做 出与试验结果一致的预言。 （2）固体比热容（适用于原子晶体） 组成 晶格振动热激发贡献+晶格中自由运动的电子贡献 对于铁磁体材料，还应包含磁的贡献 峰值与突变 相变、居里点、有序-无序转变、分子旋转 变化、顺磁盐的自旋状态间或电子激发态间的转变 l晶格比热容经典理论 杜隆铂替定律（能量均分原理，比热容与温度无关 ） 一个含有NA个原子的固体具有3NA-6个自由度，由 于NA6,因此可认为是3NA个自由度，故总能量的平均值 为 E0固体原子处于平衡位置时的能量，为固体的结合 能。则定容比热容 适用范围：常温、高温。但无法解释温度趋于0K时Cv0 爱因斯坦比热容理论（基于量子理论，晶格振动具有 相同频率） 将NA个将晶格振动看成3NA个具有相同频率的 孤立简谐振子，应用普朗克量子理论，每个原子在一个 自由度上的平均振动能量为 爱因斯坦比热容理论 当温度TE，cv=3NAk=3R=Const; 当温度T分子或原子碰撞机构 1）分子导热机构 分子的碰撞和扩散（分子的热运动）。 按理想气体分子运动的理论 及气体温度与分子运动平均 动能间的关系，可推导出分 子导热机构的数学表达式： 式中： R 气体常数；T绝对温度 ；M摩尔质量。 2）电子导热机构 电子间的相互作用和碰撞。 (1)电子导热机构的表达式： 其中：n0每单位体积的电子数；cel每个电子的热容 ;vel电子速度； lel电子平均运动自由程； (2)电子导热系数的理论曲线： 电子导热系数随温度变化趋势图 很低温度 中等温度 很高温度 （3）自由电子模型，vel=vF（费米速度），电子平均 运动自由程可用电子寿命来表示，lel=vF,则电子导热可 表述为： （4）导电率 Drude模型 使用自由电子模型，电子传热和导电具有相同的电子寿命， 则有 L0洛伦兹数。k波尔兹曼常数 金属中的自由电子既是导热的载体，也是导电的载体，因 此金属导热性与导电性密切相关。 Wiedemann-Franz定律应用要点 Wiedemann-Franz定律仅在高温和极低温度下才与实验 符合.在中间温度区域，洛伦兹数与温度有关，不是常数 。但Wiedemann-Franz给出了自由电子模型的重要结论， 可通过此定律，通过测量导电率估算热导率。 此定律可能仅对块状材料成立。对于微纳米金属材料 ，其洛伦兹数与其块状材料相差甚远。因此用块状材料 的洛伦兹数和微纳米金属材料达到导电率来估算金属材 料的热导率可能会产生极大偏差。 通常把晶格振动的“量子”称为“声子”。 （1）声子导热系数的数学表达式： 3）声子导热机构 晶格点阵或者晶格的振动（声波辐射）。 （2）变化规律 v:与弹性模量E和密度有关，而温度与E有影响，因此， 随温度升降略有变化。从简便起见，可认为vconst。 cv： 在低温下，比热容cv影响起决定作用，即绝对零度时 为零；随着温度的增加，比热容按T3的比例增加；在 高温中，cv趋于常值。 l：在较高温度下（T德拜温度），l与温度倒数1/T成正 比，（温度升高，声子振动加剧，相互作用增强）。在 较低温度下，lexp(/T)，温度下降，l迅速增加,在很 低温度下，l达到其上限值晶粒的直径。（低温下， 影响声子相互作用的短波数急剧下降） 对于介电体，声子导热不是唯一热传导机构，在介电体中 除了振动能外，还有一小部分较高频率的电磁辐射能， ErT4。温度低时，电磁辐射能在总的能量中所占的比重非 常小，可忽略不计，温度高时一定要考虑。 （1）定义： 光子导热：由较高频率的电磁辐射所产生的导热过程称为 光子导热。 4）光子导热机构 E黑体单位体积辐射能；c光速；斯蒂芬-波尔兹曼常 数； n折射率。 T一定时，光子导热主要决定于它的l。对于不透明的材料， 即l0 ,光子导热可忽略。（如若l大到足以与系统尺度相比拟