早在19世纪中叶,著名物理学家、电磁波理论的创始人J.C.麦克斯韦(Maxwell)。在其名著《电磁波理论》(1873)中就指出:对含有孔隙的材料,设孔隙是以等径小球的形状均匀分散在材料中,材料的传导率(电导或热导),从理论上可由下式计算: (17)
式中P为孔隙率,λ0为无孔(P=0)时的热导率。此式具有历史意义。对于石墨,孔隙并非呈球状,更非等径,此式当然不适用。但它表明孔隙率越大(即密度越小),热导率越小。这一定性结论却正确无误。一种挤压成型的、经过不同浸渍处理的核石墨,在常温下,其热导率λ∥随孔隙率的变化符合如下关系:
λ∥=λ0exp(–bP) (18)
式中λ0=1280W/(m·K),为无孔隙时的极限热导率,常数b=7.00。
同一类型的石墨,热导率随其密度的增大而上升,图11表示HDFG同性石墨的λ与密度的关系。
热处理温度 多晶石墨大多是由焙烧毛坯经高温热处理制成,热处理温度越高,微晶的发育越完善,La增大,热导率也随之增大。用煅后石油针状焦及中温煤沥青,经挤压成型做成的焙烧小棒,经不同热处理(HTT)后,其La的数值见表4。其轴向热导率λ∥随温度变化的情况见图12。热导率的倒数1/λ称为热阻。在不同热处理温度下,这种石墨的轴向热阻1/λ//与其l/La的关系见图13。也是用石油焦和中温煤沥青做成的另一种挤压石墨,图14显示出其λ∥依赖于La的情况。对于一种模压石墨,其λ⊥与HTT之间的关系见图15。 热扩散系数α 又称为导温系数,α=λ/ρcp。(见式(3))。它表征材料在加热或冷却过程中,各部分温度趋向于一致的能力;是在不稳定传热过程中,说明温度变化速度的一个特性参数。材料的导温系数越高,材料内部温度的传播速度越大,材料内的温差就越小。一种高密度,ρ=1.81g/cm³、各向同性细颗粒石墨EK–98,其α随温度的变化情况见图16上。 热散逸系数ε 表征石墨材料热性能的一个综合参数,与热导率密切相关,其定义为:
ε=(λcpρ)(19)
在法定单位制中,ε的单位是WS·m·K,它表征材料表面散热或吸热能力的大小。EK–98石墨的热散逸系数随温度变化情况示于图17。
热导异向度 石墨材料的各向异性在热导上表现为沿平行对称轴方向的热导率λ∥与沿垂直方向的热导率λ⊥的差异上。一般,对挤压石墨λ∥>λ⊥,把λ∥/λ⊥这一比值称为热导异向度;对模压石墨,λ⊥>λ∥,则把比值λ⊥/λ∥称为热导异向度;即异向度最小为1(同向性)。设沿石墨对称轴oz的取向参数为Roz,平行与垂直方向的校正参数为γ∥和γ⊥(见石墨的各向异性)则有: 由于微晶的λc/λa<<1,上两式可约化为
对很多石墨γ∥≈γ⊥,由(21)得到:
这就是著名的由热导率数据推算取向参数的表达式。例如,对核石墨PGA,由常规的X光衍射法测得的R为0.78,由热导率数据得到的则为0.77,两者符合甚好。