影响热导率的多种因素

1.原子结构对热导率的影响

在金属的热传导过程中，起主要作用的是自由电子导热，可将金属元素的热导率与原子结构和周期表相联系起来。而热导率又与电导率有一定的关系，通过找出金属原子导电性能随原子序数的变化关系就可以反映出金属元素热导率的变化关系。图5-1所示为温度为300K时周期表上各族元素的热导率图。由图5-1可见，含有一个价电子的金、银、铜的热导率最高，具有良好导电性能的铝、钨等元素的热导率也比较高。

2.温度对金属热导率的影响

金属以电子导热为主，电子在运动过程中将会受到热运动原子和各种晶格缺陷的阻挡，形成热量传递的阻力。热阻是热导率的倒数，可以分解为晶格振动热阻和杂质缺陷热阻两种。当金属材料处于高温时，阻碍热传导的主要是晶格振动。当金属材料处于低温时，阻碍热传导的主要是杂质缺陷。当金属材料处于中间温度区间时，晶格振动和杂质缺陷都起作用。

合成后的热导率如下式：

式中 λ——总热导率值，单位W/（m·K）；

T——金属材料的温度，单位为K；

α、β——常数。

通常情况下，纯金属由于温度升高而使平均自由程减小的作用更为显著，所以纯金属的热导率一般随温度的升高而降低。而在合金中，由于异类原子的存在使平均自由程受温度的影响较小，温度本身的作用较为明显，因而合金的热导率随温度的升高而升高。

3.气孔率对金属材料热导率的影响

由于气体导热效果较差，因而材料内部存在着大量的气孔时，材料的热导率将

图5-1 温度为300K时周期表上各族元素的热导率(www.xing528.com)

受到较大的影响。对于金属烧结材料而言，当未进行烧结时，空气为基体相，金属粉末为弥散相。此时通过麦克斯韦关系可得下式：

式中 λ_p——金属粉末的热导率，单位W/（m·K）；

λ_m——金属的热导率，单位W/（m·K）；

λ_a——空气的热导率，单位W/（m·K）；

φ_a——气孔率（%）。

对于大多数金属材料而言，通常λ_a/λ_m=0.001，因而可以通过式（5-5）得出粉末相对热导率与气孔率的变化关系。

对于烧结后的多孔金属材料而言，空气为弥散相，金属为基体相，并且此时空气的热导率相对于金属的热导率可以忽略不计，由麦克斯韦关系可得下式：

式中 λ_p——金属粉末的热导率，单位W/（m·K）；

λ_m——金属的热导率，单位W/（m·K）；

φ_a——气孔率（%）。

通过式（5-6）可以得到金属粉末的相对热导率与气孔率的变化关系。