热压碳化硼的热导率和膨胀系数.docx

热压碳化硼的热导率和膨胀系数王零森(中南大学 粉末冶金国家重点实验室 ,湖南长沙 ,410083)摘要 :用激光闪烁法测定碳化硼的导热系数 ,用 D F21500 膨胀仪测定热膨胀系数 ,研究了其热导率与温度 、孔隙度和晶粒 度 的 关 系 . 研 究 结 果 表 明 : 碳 化 硼 热 导 率 与 温 度 的 关 系 可 表 示 为 1/ λ = 2 + 0 . 005 5 t 或 1/ λ = (6 . 28 t + 1 840) ×105 ;热导率与孔隙度的关系可表示为 λ= λs ( 1 - θ) / ( 2 + 2 . 2θ) 或 λ= λs ( 1 - 1 . 5θ) ;当 θ= 0 . 08 ,且在室温时 ,碳化硼平均热膨胀系数为 4 . 4 ×10 - 6 / K ,从而可保证该材料在快中子反应堆中安全使用 .关键词 :碳化硼 ; 中子吸收材料 ; 热导率 ; 热膨胀系数中图分类号 : TF123 . 31 ; TF124 . 1 ; TF125 . 3文献标识码 :A文章编号 :100529792 (2003) 0220111203为 :λ∝1/ t 4 . 因为在德拜温度以上 ,声子的平均自由程正比于 ΘD/ (2 t ) ( 其中 ,λ为热导率 ,ΘD 为德拜温度 , t 为温度) . B . Beauvy 等认为碳化硼的传热机制在室温到至少 1 000 ℃是声子扩散 5 . 声子扩散又分为声子碰撞传导和晶界2声子碰撞传导 ,分别表 示为 :在热应力作用下 ,决定材料断裂抗力的重要因素是其物理性能 (主要是热导率和热膨胀系数) 和力 学性能1 23 . 因此 ,在考虑材料热破坏时首先要对这些性能的表征和影响因素进行分析 . 材料在反应堆中使用时 ,在升温阶段以及控制棒在工作过程中的 提升和下落阶段 ,在芯块内部都将产生较大的温度梯度 ,导致材料膨 胀 和 收 缩 , 从 而 产 生 很 大 的 热 应力 . 热导率愈低 ,温差愈大 ,膨胀系数愈大 ,热应力也 愈大. 当热应力大到超过材料的断裂强度时 ,材料就会因热应力而破坏. 在此 ,作者对热压碳化硼的热导 率和膨胀系数进行研究 .1/ λ= A t + B ;1/ λ∝ A t - 3 .此外 ,导热率与温度的关系为1 ,2 :λ= 0 . 425 6 - 3 . 765 7 ×10 t - 4 +1 . 323 4 ×10 - 7 t 2 - 7 . 368 8 ×10 - 12 t 3 ;1/ λ= 2 + 0 . 005 5 t .(2)(3)(4)(5)1实验方法经过分析 ,B . Beauvy 等认为碳化硼的热导服从方程 ( 2 ) , 系 声 子 碰 撞 传 导 . 当 晶 粒 粒 径 为 15 μm时 ,碳化硼试样用粉末热压法制得. 硼碳的量比为4 . 05∶1 ,表观密度为 2 . 3 g/ cm3 ( 孔隙度 θ= 0 . 08) ,晶粒 度 为 12 μm. 导 热 试 样 尺 寸 ( 直 径 ×高 ) 为9 mm ×2 mm ,用激光闪烁法测定. 热导率 λ从测得 的热扩散率α、表观密度 d 和比热容 Cp 算得 :1/ λ= ( 6 . 28 t + 1 840) ×105 .(6)由式 (4) ～ (6) 可得出碳化硼热导率 λ与温度 t的关系 ,如图 1 所示. 可见 ,式 ( 5) 和 ( 6) 所得结果和文献 6 给出的结果十分相近 . 本实验结果在 300 ℃ 以上也与由方程 ( 5) 和 ( 6) 及文献 6 给出的结果一致 ,但在低温 (室温至 300 ℃) 时实验结果较低. 这可能是碳化硼低温导电性不良 ,在用激光法测定导热 率时 ,热电偶与试样接触不好 . 碳化硼的比电阻随温 度的 上 升 而 激 剧 下 降 , 20 ℃时 为 0 . 445 Ω·cm ,λ= αCp d .(1)线膨胀系数试样尺寸 ( 直径 ×高) 为 10 mm ×15 mm.2 实验结果和分析7500 ℃时仅为 0 . 022 Ω·cm. 所以 , 随着温度的上升 ,导电率的影响减少 ; 高于 400 ℃后 ,实验结果与 方程计算值基本一致 .2 . 1热导率的影响因素及分析2 . 1 . 1碳化硼热导率与温度的关系 陶瓷材料热导率与温度的关系一般认为可写收稿日期 :2002 - 05 - 08基金项目 :国家重点工程项目“中国实验快中子增殖堆”( CEFR作者简介 :王零森 ( 1938 - ) ,男 ,湖南双峰人 ,中南大学教授 ,博士生导师 ,从事粉末冶金和特种陶瓷材料的研究.中南工业大学学报 ( 自然科学版)第 34 卷·112 ·度的方程计算值 ; 不同孔隙度的热导曲