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/cm3、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。