无机非金属材料的非晶体结构优秀PPT.ppt

第六章第六章 材料的性能材料的性能其次节材料的热性能其次节材料的热性能 6.2.1 热导率和比热容热导率和比热容 6.2.2 热膨胀性热膨胀性v 6.2.3 耐热性耐热性 6.2.3 热稳定性热稳定性 6.2.5 高分子的燃烧特性高分子的燃烧特性热学性能：包括热容（热学性能：包括热容（thermal content），热膨），热膨胀（胀（thermal expansion），热传导（），热传导（heat conductivity），热稳定性（），热稳定性（thermal stability）等。等。6.2.1 热导率和比热容热导率和比热容6.2.1.1 热传递热传递 热的移动方式有三种，即热的移动方式有三种，即热热传导、热辐射和热对流传导、热辐射和热对流。前两种与材料内。前两种与材料内部结构有关；对流则受外界因素如空气和部结构有关；对流则受外界因素如空气和水等流体移动的影响。水等流体移动的影响。热传导是基本的传递方式，与物质的结构、热传导是基本的传递方式，与物质的结构、状态有关。其机制有：状态有关。其机制有：自由电子的传导、自由电子的传导、晶格振动传导（离子键和共价键晶体）和晶格振动传导（离子键和共价键晶体）和分子的传导分子的传导等。等。材料的基本物性：热导率材料的基本物性：热导率 和比热容和比热容cp。在固体中任一点上的热流量在固体中任一点上的热流量q正比于温度梯正比于温度梯度：度：q=dT/dX，因此，在平板的两个表面，因此，在平板的两个表面保持保持T1和和T2的温度，那么稳态热流量是：的温度，那么稳态热流量是：q=A(T1-T2)/d（A为平板面积，为平板面积，d为厚为厚度，传热速度正比于热导率）度，传热速度正比于热导率）瞬态热流：固体中温度变更速率为：瞬态热流：固体中温度变更速率为：=/(cp)（是密度，是密度，是热扩散是热扩散系数，温度上升的速度正比于系数，温度上升的速度正比于，反比于单，反比于单位体积热容位体积热容cp。6.2.1.2 热导率热导率：是材料传输热量的速率的量度，：是材料传输热量的速率的量度，当存在温度梯度当存在温度梯度 T/X时，热导率和每秒通过给定时，热导率和每秒通过给定截面截面A和热量和热量Q相关：相关：Q/A=T/X(的单位为的单位为W.m-1.K-1或或J.m-1s-1.K-1)金属：高温区的自由电子得到动能后，向低温区金属：高温区的自由电子得到动能后，向低温区迁移，在低温区与结构缺陷和声子（类似与光子）迁移，在低温区与结构缺陷和声子（类似与光子）发生碰撞，结果将动能传递给原子，从而产生更多发生碰撞，结果将动能传递给原子，从而产生更多的声子，相应低温区的温度上升。低温区的电子也的声子，相应低温区的温度上升。低温区的电子也向高温区迁移。向高温区迁移。有序晶体：良好的热导体。有序晶体：良好的热导体。分子固体和高分子等导热性能差。分子固体和高分子等导热性能差。依据量子理论、一个谐振子的能量是不连续的，能量依据量子理论、一个谐振子的能量是不连续的，能量的变更不能取随意值，而只能是最小能量单元的变更不能取随意值，而只能是最小能量单元量子量子（quantum）的整数倍。一个量子所具有的能量为）的整数倍。一个量子所具有的能量为hv。晶。晶格振动的能量同样是量子化的。声频支格波（格振动的能量同样是量子化的。声频支格波（acoustic frequency）弹性波弹性波声波（声波（acoustic wave）声子。把声子。把声频波的量子称为声子，其具有的能量为声频波的量子称为声子，其具有的能量为 hv=h，固体，固体热传导公式：热传导公式：式中，式中，C声子体积热容，声子体积热容，l声子平均自由程（声子平均自由程（mean free distance），），声子平均速度（声子平均速度（mean velocity）。）。声子和声子传导声子和声子传导6.2.1.3 比热容比热容：材料通过获得或失去声子而获得或：材料通过获得或失去声子而获得或失去能量。有重要意义的是材料温度每变更一度所失去能量。有重要意义的是材料温度每变更一度所需的能量或声子数，将这一能量称为热容。热容可需的能量或声子数，将这一能量称为热容。热容可定义为在没有相变或化学反应的条件下，将一摩尔定义为在没有相变或化学反应的条件下，将一摩尔材料的温度上升材料的温度上升1C所需的能量。单位为所需的能量。单位为J.mol-1.K-1。定压热容。定压热容Cp和定容热容和定容热容Cv。恒容时，所吸取的热量正好等于内能的增加，定容恒容时，所吸取的热量正好等于内能的增加，定容热容为：热容为：Cv=(dE/dT)v恒压时，所吸取的热量等于焓的增加，恒压热容为：恒压时，所吸取的热量等于焓的增加，恒压热容为：Cp=(dH/dT)pCp一般大于一般大于Cv，在室温或更低温度两者特别接近。，在室温或更低温度两者特别接近。比热容是指将确定质量材料的温度上升比热容是指将确定质量材料的温度上升1C所需的所需的能量，单位为能量，单位为J.kg-1.K-1。比热容。比热容c热容热容/原子量。原子量。对于固体材料CP与CV差异很小，见图3.2。6.2.2 热膨胀性热膨胀性大多数物质的体积随温度的提高而增加，这大多数物质的体积随温度的提高而增加，这种现象称为热膨胀。就固体而言，受热体积种现象称为热膨胀。就固体而言，受热体积增加是与原子（或分子）在热能增加时平均增加是与原子（或分子）在热能增加时平均振幅的增大有干脆联系。振幅的增大有干脆联系。体膨胀系数：温度每上升体膨胀系数：温度每上升1C所引起的体积所引起的体积相对变更，称为体积膨胀系数。相对变更，称为体积膨胀系数。v=1/V(dV/dT)线膨胀系数：线膨胀系数：l=1/l(dl/dT),立方固体和各向立方固体和各向同性固体同性固体v=3l。共价键材料与金属相比，一般具有较低的膨胀系数；共价键材料与金属相比，一般具有较低的膨胀系数；离子键材料与金属相比，具有较高的膨胀系数。聚离子键材料与金属相比，具有较高的膨胀系数。聚合物类材料与大多数金属和陶瓷相比有较大的热膨合物类材料与大多数金属和陶瓷相比有较大的热膨胀系数。胀系数。单晶或有择优取向的材料，可能具有各向异性的单晶或有择优取向的材料，可能具有各向异性的膨胀系数。膨胀系数。同素异构相变时，其尺寸可能发生突然的变更。同素异构相变时，其尺寸可能发生突然的变更。开裂或裂纹。开裂或裂纹。并非所用温度下都是常数。并非所用温度下都是常数。高弹材料：在应力作用下，其膨胀系数为负数。高弹材料：在应力作用下，其膨胀系数为负数。纤维增加的各向异性材料，其热膨胀系数也与方纤维增加的各向异性材料，其热膨胀系数也与方向有关。向有关。6.2.3 耐热性耐热性耐热性是指在受负荷下，材料失去物理机械强度而耐热性是指在受负荷下，材料失去物理机械强度而发生形变的温度。发生形变的温度。高分子材料的温度范围是很有限的。耐热性聚合物高分子材料的温度范围是很有限的。耐热性聚合物长期运用温度也未超过长期运用温度也未超过500C。高分子材料主要适。高分子材料主要适宜在常温及中温条件下运用。宜在常温及中温条件下运用。P329。玻璃化转变温度玻璃化转变温度Tg、软化温度、软化温度Ts、熔融温度、熔融温度Tm。凡。凡能使聚合物的能使聚合物的Tg和和Tm上升的结构因素，都使得聚合上升的结构因素，都使得聚合物的耐热性得以提高。交联、结晶和刚性链结构等。物的耐热性得以提高。交联、结晶和刚性链结构等。刚性链结构是耐热性聚合物开发的一个主要方向，刚性链结构是耐热性聚合物开发的一个主要方向，但溶解性但溶解性 差，熔点特别高，给加工成型带来困难。差，熔点特别高，给加工成型带来困难。P3306.2.4 热稳定性热稳定性耐热性所表征的是材料的热物理变更。热稳定性则耐热性所表征的是材料的热物理变更。热稳定性则是指材料化学结合起先发生变更的温度。对于有机是指材料化学结合起先发生变更的温度。对于有机聚合物，热稳定性具有特殊重要的意义。聚合物，热稳定性具有特殊重要的意义。通常用聚合物在惰性气体（或空气）中起先分解的通常用聚合物在惰性气体（或空气）中起先分解的温度温度Td表征热稳定性表征热稳定性(或热氧稳定性或热氧稳定性)，或用热失重，或用热失重（TG）来表示。在受热工程中，高聚物材料的物理）来表示。在受热工程中，高聚物材料的物理变更加深导致其化学变更，而化学变更则以物理性变更加深导致其化学变更，而化学变更则以物理性能变更（如分子量降低）的形式表现出来。能变更（如分子量降低）的形式表现出来。k=Ae-E/RT半分解温度（高聚物在真空中加热半分解温度（高聚物在真空中加热30min后质量损后质量损失一半所需的温度）。失一半所需的温度）。一般来讲，从单链高分子一般来讲，从单链高分子“分段梯形分段梯形”“梯形梯形”“片状片状”高聚物，热稳定性逐步增加。高聚物，热稳定性逐步增加。降解过程通过主链断裂和形成自由基进行的。降解过程通过主链断裂和形成自由基进行的。在温度超过在温度超过400C左右时，常用聚合物的降解速率左右时，常用聚合物的降解速率是快速的，热解在几分种内完成。有些状况下，热是快速的，热解在几分种内完成。有些状况下，热解产物并非完全挥发，随着温度的进一步上升，生解产物并非完全挥发，随着温度的进一步上升，生成大量的碳化物。成大量的碳化物。6.2.5 高分子材料的燃烧特性高分子材料的燃烧特性6.2.5.1 燃烧过程及机理燃烧过程及机理燃烧通常是指在较高温度下物质与空气中的氧猛烈反应并发燃烧通常是指在较高温度下物质与空气中的氧猛烈反应并发出光和热的现象。可燃、空气和热源。使材料着火的最低温出光和热的现象。可燃、空气和热源。使材料着火的最低温度称为燃点或着火点。着火后其产生的热量有可能使其四周度称为燃点或着火点。着火后其产生的热量有可能使其四周的可燃物质或自身未燃部分受热而燃烧。燃烧的传播和扩散的可燃物质或自身未燃部分受热而燃烧。燃烧的传播和扩散现象称为火焰的传播或延燃。若材料着火后其滋生的燃烧热现象称为火焰的传播或延燃。若材料着火后其滋生的燃烧热不足以使未燃部分接着燃烧称为阻燃、自熄或不延燃。不足以使未燃部分接着燃烧称为阻燃、自熄或不延燃。燃烧速度是聚合物燃烧性的一个重要指标。一般是指在外部燃烧速度是聚合物燃烧性的一个重要指标。一般是指在外部辐射热源存在下水平方向火焰的传播速度。辐射热源存在下水平方向火焰的传播速度。烃类聚合物的燃烧热最大，含氧聚合物的燃烧热较小。聚合烃类聚合物的燃烧热最大，含氧聚合物的燃烧热较小。聚合物的燃烧速率与高反应活性的物的燃烧速率与高反应活性的OH自由基亲密相关，若抑制自由基亲密相关，若抑制OH自由基就能达到阻燃效果。自由基就能达到阻燃效果。6.2.5.2 氧指数氧指数所谓的氧指数就是在规定的条件下，试样在氧气和氮气的混所谓的氧指数就是在规定的条件下，试样在氧气和氮气的混合气流中维持规定燃烧所需的最低氧气浓度。用混合气体中合气流中维持规定燃烧所需的最低氧气浓度。用混合气体中氧所占的体积百分数表示。氧指数是衡量聚合物燃烧难易程氧所占的体积百分数表示。氧指数是衡量聚合物燃烧难易程度的重要指标，氧指数越小越易燃。度的重要指标，氧指数越小越易燃。氧指数在氧指数在22以下的属于易燃材料。以下的属于易燃材料。2227的犯难燃材料，的犯难燃材料，27以上为高难燃材料。以上为高难燃材料。阻燃性能还与其它物理性能如比热、热导率、分解温度以及阻燃性能还与其它物理性能如比热、热导率、分解温度以及燃烧有关。燃烧有关。6.2.5.3 聚合物的阻燃聚合物的阻燃聚合物的阻燃性是它对早期火灾的阻抗特性。含有卤素、磷聚合物的阻燃性是它对早期火灾的阻抗特性。含有卤素、磷原子等的聚合物一般具有较好的阻燃性。原子等的聚合物一般具有较好的阻燃性。阻燃剂，就是指能爱护材料不着火或使火焰难以扩散的药阻燃剂，就是指能爱护材料不着火或使火焰难以扩散的药剂。阻燃剂的阻燃作用，是因其在聚合物燃烧过程中能阻挡剂。阻燃剂的阻燃作用，是因其在聚合物燃烧过程中能阻挡或抑制其物理的变更或氧化速度，一般具有以下一种或多种或抑制其物理的变更或氧化速度，一般具有以下一种或多种效应的物质可作阻燃剂。效应的物质可作阻燃剂。（1）吸取效应，（）吸取效应，（2）覆盖效应，（）覆盖效应，（3）稀释效应，（）稀释效应，（4）转）转移效应（变更高分子材料热分解的模式），（移效应（变更高分子材料热分解的模式），（5）抑制效应，）抑制效应，（6）协同效应。）协同效应。目前多用无机阻燃剂如：氢氧化铝、三氧化二锑、硼化物、目前多用无机阻燃剂如：氢氧化铝、三氧化二锑、硼化物、氢氧化镁等。氢氧化镁等。思索题思索题 材料性能部分材料性能部分名词说明：弹性模量和断裂韧性；电导率和热导率；介电损耗与介电常数；载流子与迁移率；布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度。离子晶体的电导率随温度如何变更？其电导机制是什么？半导体的电导率随温度如何变更？简述绝缘体、半导体和金属的能带理论，半导体的光电导现象是如何产生的？分别写出理论断裂强度、格列菲斯(Griffith)和Griffith-Orowan-Irwin公式并写出个物理量的物理意义。从晶体结构探讨陶瓷材料与金属材料的弹性形变和塑性形变的差异。依据材料磁化率，可把材料的磁性大致分成哪五类？我们最常用的磁性材料为其中的哪两类？相对介电常数（r）是电介质材料的一个特别重要的性能指标，其物理意义是什么？介电常数与哪些极化作用有关？造成半导体的光导现象的缘由是什么？光导现象有哪些应用。举出例说明何为n型和p型半导体？材料的应力-应变曲线有哪几种？简要说明起特征。