fh12材料的熱學性能-2

1、1,材料性能學,付華石家莊鐵道大學,2,第12章 材料的熱學性能12.1晶體的點陣振動12.2 熱容12.3 熱膨脹12.4 熱傳導12.5 熱穩(wěn)定性第13章 材料的磁學性能第14章 材料的電學性能第15章 材料的光學性能,第二部分 材料的物理性能,3,12.4 熱傳導,熱傳導：熱從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式。,12.4.1 基本概念,空氣、羊毛/羽毛/毛皮/棉花/石棉/軟木等松軟物質。,瓷/

2、木頭/竹子/皮革，玻璃、混凝土等。,金屬：良導體。銀>銅>鋁。,,導熱能力,4,傅里葉(Fourier)定律：,單位梯度溫度下，單位時間內通過材料單位垂直面積的熱量。,λ單位: J／(m·s·K)，W/ (m·K)，W/m·℃。,熱（能）流密度q ：,熱導率(導熱系數(shù))λ:,5,晶格振動 （格波）,12.4.2 微觀機理,氣體：,聲子熱導： 聲頻支—較低溫度；光子熱導：

3、 光頻支—高溫時。,固體：,分子碰撞傳熱；,自由電子,,,6,高溫處：質點熱振動強烈,晶格振動（格波）的熱傳導機理:,質點間相互作用，振動較弱的質點在振動較強的質點影響下，振動加劇，能量增加；熱量，從高溫向低溫傳遞 →→熱傳導現(xiàn)象。,低溫處：質點熱振動較弱；,熱傳導微觀機理,7,新聲子的動量方向和原兩個聲子的方向一致，熱阻小。,（1） 聲子的碰撞過程,碰撞后，方向反轉，熱阻較大。,1. 聲子熱傳導,熱阻： 聲子擴散過程

4、中的各種散射。,8,（2） 點缺陷的散射,（4） 晶界散射,（3） 位錯的散射,熱阻： 聲子擴散過程中的各種散射。,9,固體中分子、原子和電子的振動/轉動，輻射出頻率較高的電磁波（光子）。,波長0.4-40μm的可見光和近紅外光,具有較強的熱效應，稱為熱射線，其傳遞過程------熱輻射。,2. 光子熱導(高溫時),發(fā)生光的散射/衍射/吸收/反射/折射。,光子在介質中的傳播過程------光子導熱過程。,輻射與吸收：,高

5、溫：輻射>吸收,低溫：輻射<吸收,10,對輻射線透明的介質，熱阻小。單晶、玻璃，在773---1273K輻射傳熱很明顯；,光子熱導的熱阻：材料的光學性質,對輻射線不透明的介質，熱阻大。大多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在1773K高溫下 輻射明顯；完全不透明的介質， 輻射傳熱可以忽略。,11,金屬：大量自由電子。,3. 電子熱導,純金屬：主要熱傳導機理。,合金：雜質原子散射。熱傳導機理：電子+聲子。

6、 λe/ λL≈30,12,純金屬：電子熱導。（導電）,合金/半導體/半金屬：電子+聲子,小結：各類材料的熱傳導機理,絕緣體：聲子,高分子材料：分子間的聲子熱傳導。,無機非金屬材料：主要為聲子熱導。,熱導率和電導率都很低，通常用作絕熱材料。,13,1. 溫度,12.4.3 影響熱導率的因素,晶體材料：一般地，在常用溫度范圍內， 熱導率隨溫度的上升而下降。,溫度很高：光子輻射，

7、λ增大。,熱導率與溫度T成反比下降；,溫度很低：(熱容)熱導率λ∝T3；,,,16,2. 結構的影響,晶體結構越復雜， 晶格振動偏離非線性越大，熱導率越低。,晶向不同，熱傳導系數(shù)不同。如：石墨、BN為層狀結構， 層內比層間的大4倍， 在空間技術中用于屏蔽材料。,17,,晶界多、缺陷多，對聲子散射大。,2 結構的影響,同一種物質： 多晶體的熱導率總比單晶小

8、。,,多晶體熱導率比單晶小。,19,無機非金屬材料,非晶體;含氣孔的不密實材料;,氣孔導熱占一定比例，隨溫度的上升，熱導率略有增大。,20,非晶體的熱導率：,非晶體的聲子熱導率在各溫度下都比晶體?。?兩者在高溫下比較接近； 重大區(qū)別：晶體有一峰值。,21,線性簡諧振動→幾乎無熱阻; 非線性振動→熱阻大; 晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。,,,物質組分原子量之差越小，質點的原子量越小，密度越小，

9、德拜溫度越大；（輕元素、結合能大）,熱導率越大,3. 成分的影響,22,單質具有較大的導熱系數(shù); 金剛石的熱導率比任何其他材料都大，常用于固體器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能輸出大功率。,較低原子量的正離子 形成的氧化物和碳化物 具有較高的熱傳導系數(shù)， 如: BeO,SiC.,23,雜質的影響顯著。,化學組成復雜的固體熱導率小。,24,(4)復合材料的熱導率,兩相：連續(xù)相（基體）(λc)和分散相(λd)：,Vd

10、為分散相的體積分數(shù) 。,陶瓷:晶粒—分散相，晶界(玻璃相)—連續(xù)相， 可由上式計算熱導率。,25,氣孔熱導率≈0，氣孔率大—熱導率小。,P為氣孔的體積分數(shù)。,(5) 氣孔,高溫、大氣孔：氣孔內氣體流動→λ↑.,26,12.4.4 材料熱傳導性能的應用,高導熱材料：器皿，器件 ，溫度傳感器 。絕熱保溫材料：建筑墻體 ：多層、顆粒復合、泡沫、多孔、中空結構。,27,熱應力：高溫下，未改變外力作用狀態(tài)時，

11、 僅因熱沖擊而在材料內部產生的內應力。,多相復合材料：各相膨脹或收縮的相互牽制；,各相同性材料：溫度梯度。,12.5 熱穩(wěn)定性,熱穩(wěn)定性（thermal stability）， 又稱為抗熱震性，熱抗震性；材料承受溫度 瞬變 而不破壞的能力。,28,熱穩(wěn)定性有2種類型：,熱震斷裂 （熱應力斷裂）：熱沖擊+瞬時斷裂；,熱（應力）損傷：熱沖擊+循環(huán)；開裂、剝落、 碎裂、變質。,機械外

12、力+熱應力√+溫度：力學性能+熱學性能；,熱彈性理論：斷裂力學理論；,29,1. 材料的熱應力斷裂(熱震斷裂),急劇受熱和冷卻：第一抗熱應力斷裂因子R1（R)：,α：熱膨脹系數(shù),R1越大，材料能承受的溫度變化越大， 熱穩(wěn)定性越好．,△Tc：熱震斷裂的 臨界溫度 。,30,慢速受熱和冷卻：第二抗熱應力斷裂因子R2 （R′) ：,λ：熱導率,1. 材料的熱應力斷裂(熱

13、震斷裂),材料的熱導率λ越大，傳熱越快， 散熱越好，熱穩(wěn)定性越高。,A：常數(shù)（構件形狀/熱處理條件）,31,恒定速率加熱或冷卻：第三抗熱應力斷裂因子R3 （R〞),ρ:密度(kg/m3)，Cp：定壓熱容。,R3越大，則允許的最大冷卻速率越大， 熱穩(wěn)定性就越好。,1. 材料的熱應力斷裂(熱震斷裂),32,2. 材料的熱應力損傷(熱損傷）,斷裂力學觀點:應變能-斷裂能；當彈性應變能小或斷裂

14、表面能γ大時， 裂紋不易擴展，熱穩(wěn)定性好．抗熱損傷性：正比于斷裂表面能， 反比于彈性應變能釋放率。,瞬時不斷裂：微孔材料、非均質金屬陶瓷;陶瓷：微裂紋+氣孔；微裂紋被微孔/晶界等釘扎。,考慮問題的出發(fā)點:阻止微裂紋的擴展。,33,2. 材料的熱應力損傷(熱損傷）,第四抗熱應力損傷因子R4 彈性應變能釋放率的倒數(shù)。,第五抗熱應力損傷因子R5

15、 彈性應變能+斷裂表面能。,34,3. 抗熱震斷裂，抗熱損傷 對材料性能的要求相反；,抗熱損傷：高E/γ/KIc；低σf；阻止裂紋擴展， 疏松材料,抗熱震斷裂：高強度σf/ λ低E阻止裂紋萌生/致密材料,耐火磚(氣孔),抗熱沖擊損傷性↑,↓強度，↓熱導率，↓ R1,R2。,,,35,4. 實際材料的熱穩(wěn)定性,高分子材料：熱穩(wěn)定性較差。一般≤200℃；新開發(fā)在300-

16、400℃；,金屬材料：熱穩(wěn)定性較好。一般強度和熱導率較大，熔點高。無機非金屬材料：一般強度和彈性模量都大，熱導率中等，易產生熱應力斷裂；熔點一般都很高，不易熔化或分解，允許的使用溫度很寬，熱穩(wěn)定性較好．,36,5.影響抗熱震的主要因素,材料特性：熱膨脹系數(shù)α、導熱系數(shù)λ、 彈性模量E、材料固有強度σf 、斷裂韌性KIc等。α越小，溫度應力小，抗熱震性越好；λ大，溫差越小，熱應力越小，抗熱震性好；σf 越高，承受熱應

17、力越大，抗熱震性好；E 越小——通過彈性變形，釋放熱應力， 抗熱震性越好。,37,組織結構和試樣幾何形狀。,5.影響抗熱震的主要因素,陶瓷： 組織疏松 + 一定氣孔率 + 適當?shù)奈⒘鸭y→→提高斷裂能，抗熱沖擊。形狀相對簡單、外形均勻構件：抗熱震性好。,綜合考慮：熱容、熱膨脹、 熱傳導、熱穩(wěn)定性、強度 等。,38,6.抗熱震性能的表述或測試,最大溫差：試樣表面