物质的导热系数

导热系数表征物体导热能力的强弱,是物质的基本物理性质之一。电子产品热设计中,在导热界面材料、散热器、换热器、冷板等多种部件的选型设计中都要重点考虑物质的导热系数这一物理性质。导热系数的通用单位是W·m-1·K-1

一个基本的澄清是,所有的物体都具有导热系数,不同的物体,只是导热系数有大有小。显然,对于导热能力强的物体,其导热系数高,而导热能力差的物体(通常用来实现绝热、保温等功能),绝不是不存在导热系数,而是导热系数较低。即使对一个理想的绝热物体,也只不过是其导热系数为0 W·m-1·K-1

物体的导热系数与物质种类、材料成分、及热力状态有关(温度,压力(气体)),与物质几何形状无关。一般说来,金属的导热系数最大,非金属次之,液体的较小,而气体的最小。

物质种类  纯金属  金属合金  液态金属  非金属固体  非金属液体  绝热材料  气体 
导热系数/ W·m-1·K-1  100~1400 50~500 30~300 0.05~50 0.5~5 0.05~1 0.005~0.5

在电子产品热设计中,空气、非金属固体和金属合金是最常用的材料。从微观上看,不同形态的物质其导热机理是不同的,因此,其导热系数的变化也各有其特点。

气体内部的导热由分子不规则热运动导致的分子间相互碰撞引起的。由分子运动论可知,当其他条件不变时,升高温度将使得分子不规则热运动加剧。显然,这时分子间的碰撞也更加频繁,因而导热系数随之提高。

物质的导热系数

固体内部的热量通过自由电子的迁移和晶格的振动波传递。晶格振动的传递在文献中常称为弹性声波,当视为类粒子现象(particle-like phenomenon)时,晶格振动子又被称为声子(phonons),声子是弹性声波能量量子化的的表示。可见,固体中的促成导热的能量载流子(energy carriers)包括自由电子和声子,其导热过程是自由电子和声子共同作用的结果。在纯金属介质中,自由电子的迁移对导热的贡献占主要地位,而在半导体和绝缘体中,声子的贡献占主要地位。

在纯金属中,导热主要源于自由电子的定向迁移。当温度上升时,晶格振动波加强,自由电子的无规则热运动增多,这都会干扰自由电子的定向移动。因此,纯金属的导热系数通常随温度的上升而降低。在半导体和绝缘体中,由于导热主要取决于晶格振动波的传递,升温会强化这一传递过程,故而其导热系数通常随温度的上升而提高。不过,在电子产品散热领域的常见温度范围内(230 K ~ 400 K),大多数固体的导热系数随温度变化幅度并不大。另外一个值得注意的点是,在晶格振动传递对导热做主要贡献的物体中,晶格排列的规则性对导热系数由关键影响,晶体材料(晶格有序排列,如石英)的导热系数要比非晶体材料(如玻璃)高。一些晶体非金属材料(如金刚石1300-2400 W·m-1·K-1,氧化铍200-250 W·m-1·K-1)的导热系数已经(远远)超越了某些纯金属。

虽然同样属于流体,液体的分子运动状态比气体复杂很多。目前,并没有一个完善的可以解释液体导热率的物理理论。通常,非金属的导热率随温度的升高而降低,但甘油,尤其是热设计中非常常用的水并不遵循这一规律。从下图可以看出,水的导热率随温度升高是先升高后降低。在电子产品散热领域的常见温度范围内(230 K ~ 400 K),液态水的导热系数可视为随温度的上升而上升。

 物质的导热系数  物质的导热系数
常见气体导热系数随温度的变化 常见液体导热系数随温度的变化

本书在论述中讨论的物体的导热系数都是各个方向尺寸均远大于物体内部能量载流子的平均自由程的基础上的。当某方向尺寸达到微米甚至纳米尺度时(如石墨烯、超薄石墨膜等),还需要考虑边界效应对导热产生的影响。这时,材料将的导热系数将表现出明显的各向异性。

参考文献:

Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera, David P. Dewitt. Fundamentals of heat and mass transfer, Seveenth Edition [M]. New York, 2011.

 

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