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影响板材的热导率有哪些因素?

板材热导率受多种因素左右,可划分为内部材料特性与外部环境条件两大方面

内部材料特性

  • 化学构成:不同化学元素及化合物组合形成的板材,热导率表现大相径庭;金属板材,像铜与铝,热导率优异,这是因为金属内部富含大量自由电子,电子在热激发下能高效穿梭传递热量。反观陶瓷板材,以氧化铝陶瓷、氮化硼陶瓷为例,其热导率取决于化学键特性,共价键越强,越有利于热量传导,热导率相对更高
  • 微观构造:板材的晶体结构、晶粒大小、孔隙占比等微观特征,对热导率影响深远。晶体结构规整、晶粒尺寸较大的板材,热传导路径更顺畅,热量传递阻碍小,热导率自然较高,如粗晶石墨的热导率就超过细晶石墨。而板材内部孔隙会干扰热传递,孔隙越多,热导率越低,毕竟气体(如空气)热导率远低于固体材料
  • 密度差异:通常而言,密度大的板材热导率更高,这是由于高密度意味着单位体积内原子或分子数量多,原子间距小,热振动传递更高效。比如高密度碳纤维增强复合材料,相比低密度同类材料,热导率更胜一筹
  • 纤维走向:在纤维增强复合材料板材里,纤维走向对热导率起到关键作用。纤维热导率往往不同于基体材料,且沿纤维方向热传导更易。所以当热流方向与纤维平行时,热导率高;垂直时则相对较低

外部环境条件

  • 温度变化:温度对板材热导率的作用较为复杂。对于金属板材,温度上升,热导率会稍有下降,这是因为高温加剧了金属晶格振动,增加电子散射,阻碍热量传输。但多数非金属板材,在一定温度区间内,温度升高促使分子热运动更活跃,利于热量传递,热导率上升;温度过高时,材料内部结构改变,热阻增多,热导率又会降低
  • 湿度影响:像木材、纸质这类吸水性强的板材,湿度变化会改变热导率。适度增加湿度,板材吸水,因为水的热导率高于材料本身,热导率会有所提升。但湿度超过一定程度,水分在板材内形成连续水膜或水滴,破坏了原有结构,引入更多热阻,热导率便会降低
  • 压力作用:特定条件下,压力会影响板材热导,一些多孔材料或复合材料,受压后内部孔隙变小、结构更致密,热导率随之增加;对于特殊结构材料,如某些气凝胶,过高压力破坏其独特纳米结构,热导率反而降低                                                                                                      
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