熱導度概念

早在19世紀中葉，著名物理學家、電磁波理論的創(chuàng)始人J.C.麥克斯韋(Maxwell)。在其名著《電磁波理論》(1873)中就指出:對含有孔隙的材料，設(shè)孔隙是以等徑小球的形狀均勻分散在材料中，材料的傳導率(電導或熱導)，從理論上可由下式計算:

(17)

式中P為孔隙率，λ0為無孔(P=0)時的熱導率。此式具有歷史意義。對于石墨，孔隙并非呈球狀，更非等徑，此式當然不適用。但它表明孔隙率越大(即密度越小)，熱導率越小。這一定性結(jié)論卻正確無誤。一種擠壓成型的、經(jīng)過不同浸漬處理的核石墨，在常溫下，其熱導率λ∥隨孔隙率的變化符合如下關(guān)系:

λ∥=λ0exp(–bP) (18)

式中λ0=1280W/(m·K)，為無孔隙時的極限熱導率，常數(shù)b=7.00。

同一類型的石墨，熱導率隨其密度的增大而上升，圖11表示HDFG同性石墨的λ與密度的關(guān)系。

熱處理溫度 多晶石墨大多是由焙燒毛坯經(jīng)高溫熱處理制成，熱處理溫度越高，微晶的發(fā)育越完善，La增大，熱導率也隨之增大。用煅后石油針狀焦及中溫煤瀝青，經(jīng)擠壓成型做成的焙燒小棒，經(jīng)不同熱處理(HTT)后，其La的數(shù)值見表4。其軸向熱導率λ∥隨溫度變化的情況見圖12。熱導率的倒數(shù)1/λ稱為熱阻。在不同熱處理溫度下，這種石墨的軸向熱阻1/λ//與其l/La的關(guān)系見圖13。也是用石油焦和中溫煤瀝青做成的另一種擠壓石墨，圖14顯示出其λ∥依賴于La的情況。對于一種模壓石墨，其λ⊥與HTT之間的關(guān)系見圖15。

熱擴散系數(shù)α 又稱為導溫系數(shù)，α=λ/ρcp。(見式(3))。它表征材料在加熱或冷卻過程中，各部分溫度趨向于一致的能力;是在不穩(wěn)定傳熱過程中，說明溫度變化速度的一個特性參數(shù)。材料的導溫系數(shù)越高，材料內(nèi)部溫度的傳播速度越大，材料內(nèi)的溫差就越小。一種高密度，ρ=1.81g/cm、各向同性細顆粒石墨EK–98，其α隨溫度的變化情況見圖16上。

熱散逸系數(shù)ε 表征石墨材料熱性能的一個綜合參數(shù)，與熱導率密切相關(guān)，其定義為:

ε=(λcpρ)(19)

在法定單位制中，ε的單位是WS·m·K，它表征材料表面散熱或吸熱能力的大小。EK–98石墨的熱散逸系數(shù)隨溫度變化情況示于圖17。

熱導異向度 石墨材料的各向異性在熱導上表現(xiàn)為沿平行對稱軸方向的熱導率λ∥與沿垂直方向的熱導率λ⊥的差異上。一般，對擠壓石墨λ∥>λ⊥，把λ∥/λ⊥這一比值稱為熱導異向度;對模壓石墨，λ⊥>λ∥，則把比值λ⊥/λ∥稱為熱導異向度;即異向度最小為1(同向性)。設(shè)沿石墨對稱軸oz的取向參數(shù)為Roz，平行與垂直方向的校正參數(shù)為γ∥和γ⊥(見石墨的各向異性)則有:

由于微晶的λc/λa<<1，上兩式可約化為

對很多石墨γ∥≈γ⊥，由(21)得到:

這就是著名的由熱導率數(shù)據(jù)推算取向參數(shù)的表達式。例如，對核石墨PGA，由常規(guī)的X光衍射法測得的R為0.78，由熱導率數(shù)據(jù)得到的則為0.77，兩者符合甚好。