第八章_材料的热学性能精选文档.ppt

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1、第八章_材料的热学性能本讲稿第一页，共六十页 热学性能：包括热容（thermalcontent），热膨胀（thermalexpansion），热传导（heatconductivity），热稳定性（thermalstability）等。本章目的就是探讨热性能与材料宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打下理论基础。本讲稿第二页，共六十页第一节第一节 热学性能的物理基础热学性能的物理基础 1、晶格热振动、晶格热振动固固体体材材料料的的各各种种热热学学性性能能，均均与与构构成成材材料料的的质质点点(原原子子、离离子子)热热振振动动有有关关，点阵中的质点点阵中的质点(原子、离子原子、离子)总是围

2、绕其平衡位置作微小振动。总是围绕其平衡位置作微小振动。晶格热振动是三维的晶格热振动是三维的3个方向的线性振动个方向的线性振动 本讲稿第三页，共六十页第一节第一节 热学性能的物理基础热学性能的物理基础式中：=微观弹性模量（micro-elastic-modulus），=质点质量（mass），=质点在x方向上位移（displacement）。热性能的物理本质：晶格热振动（latticeheatvibration），根据牛顿第二定律，简谐振动方程（simpleharmonicvibrationequation）为：本讲稿第四页，共六十页第一节第一节 热学性能的物理基础热学性能的物理基础 2、热量、热

3、量各质点热运动时动能的总和各质点热运动时动能的总和即：各质点热运动时动能总和就是该物体的热量。弹性波（格波）：包括振动频率低的声频支和振动频率高的光频支。本讲稿第五页，共六十页第二节第二节 热容热容 一、热容的基本概念一、热容的基本概念 1 1、热容、热容 在在没没有有相相变变或或化化学学反反应应的的条条件件下下，材材料料温温度度升升高高1 1K K时时所所吸吸收的热量收的热量(Q Q)称做该材料的热容，单位为称做该材料的热容，单位为J/KJ/K 热容表达式为：热容表达式为：不同材料，热容量不同不同材料，热容量不同本讲稿第六页，共六十页第二节第二节 热容热容 单位质量材料的热容又称之为单位质量

4、材料的热容又称之为“比热容比热容”或或“质量热容质量热容”,”,单位单位为为J J(kgK)(kgK)；1 mol1 mol材料的热容则称为材料的热容则称为“摩尔热容摩尔热容”，单位为，单位为J J(mol K)(mol K)同同一一种种材材料料在在不不同同温温度度时时的的比比热热容容也也往往往往不不同同，通通常常工工程程上上所所用用的的平均比热容是指单位质量的材料从温度平均比热容是指单位质量的材料从温度T T1 1到到T T2 2所吸收的热量的平均值所吸收的热量的平均值:本讲稿第七页，共六十页第二节第二节 热容热容T T1 1一一T T2 2的范围愈大，精确性愈差的范围愈大，精确性愈差当温度

5、当温度T T2 2无限趋近于无限趋近于T T1 1时，材料的比热容，即时，材料的比热容，即加热过程在恒压条件下进行，所测定的比热容称为加热过程在恒压条件下进行，所测定的比热容称为比定压热容比定压热容(CpCp)加加热热过过程程在在容容积积不不变变的的条条件件下下进进行行时时，所所测测定定的的热热容容称称为为比比定定容容热热容容(CvCv)本讲稿第八页，共六十页 恒恒压压加加热热过过程程中中，物物体体除除温温度度升升高高外外，还还要要对对外外界界作作功功(膨膨胀胀功功)，每提高，每提高1 1K K温度需要吸收更多的热量温度需要吸收更多的热量第二节第二节 热容热容 CpCpCv v根据热力学第二定

6、律导出根据热力学第二定律导出CpCp和和Cv v的关系：的关系：式中：V0摩尔容积，体膨胀系数（expansion coefficient），压缩系数（compression coefficient）。本讲稿第九页，共六十页对于固体材料CP与CV差异很小，见图3.2。本讲稿第十页，共六十页第二节第二节 热容热容2 固体材料的热容两个经验定律固体材料的热容两个经验定律（2）化合物热容定律化合物热容定律柯普定律柯普定律：“化合物分子热容等于构成化合物分子热容等于构成 此此化合物各元素原子热容之和化合物各元素原子热容之和”（1）元素的热容定律元素的热容定律杜隆杜隆珀替定律珀替定律：“恒压下元素的原子

7、热容恒压下元素的原子热容等于等于25J(K mol)”经典热容理论经典热容理论:能量自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平均位能能量自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平均位能都为都为(1/2)kT，一个原子有，一个原子有3个振动自由度，平均动能和位能的总和个振动自由度，平均动能和位能的总和就等于就等于3kT，一摩尔固体中有，一摩尔固体中有NA个原子总能量个原子总能量本讲稿第十一页，共六十页恒压下元素的原子热容为恒压下元素的原子热容为 表表3.1 部分轻元素的原子热容部分轻元素的原子热容:元素元素HBCOFSiPSClCP9.611.37.516.720.915.922.522.520.4

8、本讲稿第十二页，共六十页根据经典理论，1mol固体中有个原子，总能量为=6.0231023/mol阿佛加德罗常数，=R/N=1.38110-23J/K玻尔茨曼常数，=8.314J/(kmol)，T热力学温度（K）。本讲稿第十三页，共六十页 由上式可知，热容是与温度T无关的常数（constant），这就是杜隆一珀替定律。对于双原子的固体化合物，1mol中的原子数为2N，故摩尔热容为按热容定义：本讲稿第十四页，共六十页第二节第二节 热容热容 对对于于双双原原子子的的固固态态化化合合物物，摩摩尔尔定定容容热热容容为为Cv、m 2x 25J（Kmol)，三三原原子子固固态态化化合合物物的的摩摩尔尔定定

9、容容热热容容为为Cv、m=3x 25J(K mol)杜隆杜隆珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低温下时却珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低温下时却相差较大，实验结果表明相差较大，实验结果表明材料的摩尔热容，是随温度而变化的材料的摩尔热容，是随温度而变化的本讲稿第十五页，共六十页第二节第二节 热容热容 二、固体热容的量子理论二、固体热容的量子理论同同一一温温度度下下，物物质质中中不不同同质质点点的的热热振振动动频频率率不不同同，同同一一质质点点振振动动的的能能量量在在不不同同时时刻刻，大大小小不不同同，而而且且振振动动能能量量是是量量子子化化的。的。1、爱因斯坦模型、爱因斯坦模

10、型 爱因斯坦模型认为：晶体中每一个原子都是一个独立的振子爱因斯坦模型认为：晶体中每一个原子都是一个独立的振子原子都以相同的频率振动。原子都以相同的频率振动。本讲稿第十六页，共六十页第二节第二节 热容热容(1)当当温度较高温度较高时，时，(2)当当T趋于零时趋于零时，Cv、m逐渐变小，当逐渐变小，当T=0时，时，Cv、m=0：在低温在低温下下 依指数规律随温度而变化，而不是从试验中得出的按依指数规律随温度而变化，而不是从试验中得出的按T变化的变化的规律规律忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原因忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原因本讲稿第十七页，共六十页第二节第二节 热容

11、热容 2德拜模型德拜模型 晶晶体体中中原原子子是是相相互互作作用用的的对对热热容容的的主主要要贡贡献献是是弹弹性性波波的的振振动动，即即声声频频支支，在在低低温温下下占占主主导导地地位位晶晶体体近近似似视视为为连连续续介介质质，声声频频支支的的振振动动近近似似地看作是连续的地看作是连续的热容为：热容为：(1)当当温度较高温度较高时，即时，即(2)当当温度很低温度很低时，即时，即 著名的著名的德拜立方定律德拜立方定律，它和实验结果十分符合，它和实验结果十分符合 德拜热容理论中，不同材料的德拜热容理论中，不同材料的 是不同的是不同的 本讲稿第十八页，共六十页第二节第二节 热容热容三、影响材料热容的

12、因素三、影响材料热容的因素 对于固体材料，热容与材料的组织结构关系不大 相变时，由于热量的不连续变化，热容也出现了突变 固体材料固体材料CP与温度与温度T的关系应由实的关系应由实验精确测定，大多数材料经验公式：验精确测定，大多数材料经验公式：式中式中CP的单位为的单位为4.18 J/(kmol)，见表，见表3.1。本讲稿第十九页，共六十页本讲稿第二十页，共六十页第二节第二节 热容热容 1 固态的多型性转变属一级相变 2 二级相变是在一定温度范围逐步完成本讲稿第二十一页，共六十页第二节第二节 热容热容3对于不可逆转变，伴随转变产生的热效应也是不可逆的对于不可逆转变，伴随转变产生的热效应也是不可逆

13、的4 材料热容与温度关系可由实验精确测定，经验公式材料热容与温度关系可由实验精确测定，经验公式 Cpa十十bT十十cT十十 5 在较高温度下固体的热容具有加和性，即物质的摩尔热容等在较高温度下固体的热容具有加和性，即物质的摩尔热容等于构成该化合物各元素原子热容的总和于构成该化合物各元素原子热容的总和本讲稿第二十二页，共六十页第二节第二节 热容热容 四、热容的测量四、热容的测量1、混合法测量固体材料的比热容、混合法测量固体材料的比热容 2、电热法测固体的比热容、电热法测固体的比热容通常采用通常采用混合法混合法和和电热法电热法本讲稿第二十三页，共六十页五、热分析方法的应用五、热分析方法的应用1、热

14、分析方法、热分析方法 是根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积等是根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积等物理参数与材料结构之间的关系，对材料进行分析研究。物理参数与材料结构之间的关系，对材料进行分析研究。（1）差热分析（差热分析（DTA）：在程序温度控制下，测量试样：在程序温度控制下，测量试样和参照物的温度差随温度（和参照物的温度差随温度（T）或时间）或时间(t)的变化关系的变化关系(2)差示扫描量热法差示扫描量热法(DSC)：在程序温度控制下用差动：在程序温度控制下用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保持为零时，所要补

15、充的热量与温度和时间的关系的分析持为零时，所要补充的热量与温度和时间的关系的分析技术技术。(3)热重法热重法(简称简称TG)：在程序控制温度下测量材料的：在程序控制温度下测量材料的质量与温度关系的一种分析技术。质量与温度关系的一种分析技术。本讲稿第二十四页，共六十页 热热重重分分析析(TG)是是在在程程序序控控制制温温度度下下，测测量量物物质质质质量量与与温温度度关关系系的的一一种种技技术术。热热重重法法试试验验得得到到的的曲曲线线称称为为TG(热热重重)曲曲线线。TG曲曲线线以以温温度度作作横横坐坐标标，以以试试样样的的失失重重作作纵纵坐坐标标，显显示示试试样样的的质质量量随随温温度度的的升

16、升高高而而发发生生的的变变化化。下下图图是是CaC2O4H2O的的TG曲线，由图可以发现曲线，由图可以发现CaC2O4H2O的热分解过程：的热分解过程：CaC2O4H2OCaC2O4 CaCO3 CaOH2O100226CCO346420CCO2660846C本讲稿第二十五页，共六十页DTA是在程序控制温度下，测量处于同一条件下样品与参比样品的温度差与温度之间的关系的一种技术。参比样品(标准样品)，往往是稳定的物质，其导热、比热容等物理性质与试样接近，但在试验的温度范围内不发生组织结构变化。试样和参比样品在相同的条件下加热和冷却，两个样品之间就存在一个温差(特别是发生组织结构转变时)，DTA就

17、是测量这种温差随温度的变化。DTA技术的特点：快速、样品用量少、适用范围广。但要进行精确的定量分析相当困难。所用的实验仪器，升温速率，气氛，样品用量，粒度等都会对实验结果有所影响。DSC是通过调整试样的加热功率P，使两者之间的温差为零。通过补偿的功率可以直接计算热流率，即：所得到的曲线为热流率dH/dt与温度的关系。它能够克服DTA的定量难的问题。本讲稿第二十六页，共六十页 差差热热分分析析(DTA)是是在在试试样样与与参参比比物物处处于于控控制制速速率率下下进进行行加加热热或或冷冷却却的的环环境境中中，在在相相同同的的温温度度条条件件时时，记记录录两两者者之之间间的的温温度度差差随随时时间间

18、或或温温度度的的变变化化，差差示示扫扫描描量量热热分分析析(DSC)记记录录的的则则是是在在二二者者之之间间建建立立零温度差所需的能量随时间或温度的变化。零温度差所需的能量随时间或温度的变化。典型的典型的DTA曲线和曲线和DSC曲线曲线本讲稿第二十七页，共六十页 DSC(或或DTA)反反映映的的是是所所测测试试样样在在不不同同的的温温度度范范围围内内发发生生的的一一系系列列伴伴随随着着热热现现象象的的物物理理或或化化学学变变化化，换换言言之之，凡凡是是有有热热量量变变化化的的物物理理和和化化学学现现象象(见见下下表表)都都可可以以借借助助于于DTA或或DSC的的方方法法来来进行精确的分析，并能

19、定量地加以描述。进行精确的分析，并能定量地加以描述。本讲稿第二十八页，共六十页2热分析的应用热分析的应用 通过物质在加热或冷却过程中出现各种的热效应，通过物质在加热或冷却过程中出现各种的热效应，如脱水、固态相变、熔化、凝固、分解、氧化、聚合如脱水、固态相变、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等过程中产生放热或吸热效应来进行物质鉴定等过程中产生放热或吸热效应来进行物质鉴定 在陶瓷生产中可帮助确定各种原料配入量和制订烧在陶瓷生产中可帮助确定各种原料配入量和制订烧成制度成制度 在金属材料研究中，热分析方法也有广泛的用途在金属材料研究中，热分析方法也有广泛的用途本讲稿第二十九页，共六十页一一 热膨胀的概念及

20、热膨胀系数热膨胀的概念及热膨胀系数1热膨胀的概念热膨胀的概念物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀。式中，l线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的相对伸长。物体在温度 T 时的长度lT为：第三节第三节 热膨胀热膨胀2 平均线性膨胀系数平均线性膨胀系数本讲稿第三十页，共六十页 3 真线性膨胀系数真线性膨胀系数 固体材料真线性膨胀系数，通常随温度升高固体材料真线性膨胀系数，通常随温度升高而加大而加大 无机非金属材料的线膨胀系数一般较小无机非金属材料的线膨胀系数一般较小 4 体膨胀体膨胀物体体积随温度升高而增长的现象物体体积随温度升高而增长的现象 各向同性的立方体材料各向同性的立方体材料 各

21、向异性的晶体各向异性的晶体本讲稿第三十一页，共六十页二二 热膨胀机理热膨胀机理 质点在平衡位置两侧时受力的情况并不对称，质点在平衡位置两侧时受力的情况并不对称，在质点平衡位置在质点平衡位置ro的两侧，合力曲线的斜率的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当是不等的，当r ro 时，曲线斜率较大，时，曲线斜率较大，rro时，斜率较小，质点振动时的平均位置就时，斜率较小，质点振动时的平均位置就不在不在ro处而要向右移动因此相邻质点间平处而要向右移动因此相邻质点间平均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在ro两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移两侧受力不对称情况越显著

22、，平衡位置向右移动得越多，相邻质点间平均距离也就增加得越动得越多，相邻质点间平均距离也就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。温度升高，质点平均位置移动，晶体就膨胀温度升高，质点平均位置移动，晶体就膨胀 晶体中热缺陷的形成将造成局部晶格的畸变晶体中热缺陷的形成将造成局部晶格的畸变和膨胀和膨胀本讲稿第三十二页，共六十页本讲稿第三十三页，共六十页三三 热膨胀与其他性能的关系热膨胀与其他性能的关系 1 热膨胀和热容的关系热膨胀和热容的关系 固体材料受热引起的容积的固体材料受热引起的容积的膨胀是晶格振动加剧的结果，膨胀是晶格振动加剧的结果，晶格振动的加剧是原子晶格振动

23、的加剧是原子(离子离子)热热运动能量的增大，升高单位温度时运动能量的增大，升高单位温度时能量的增量正是热容。能量的增量正是热容。两者的比值接近于恒值两者的比值接近于恒值 2 热膨胀和结合能、熔点的关系热膨胀和结合能、熔点的关系 结合力越强的材料，热膨胀系数结合力越强的材料，热膨胀系数越小越小 结合能大的熔点较高，通常熔点高、结合能大的熔点较高，通常熔点高、膨胀系数小膨胀系数小 格留乃申晶体热膨胀极限方程格留乃申晶体热膨胀极限方程 Tm(V Tm Vo)VoC本讲稿第三十四页，共六十页四四 影响材料热膨胀系数的因素影响材料热膨胀系数的因素 1 化学成分化学成分 成分相同的材料，结构不同，热膨胀系

24、数也不同。成分相同的材料，结构不同，热膨胀系数也不同。2 键强度键强度 键强度高的材料，有低的热膨胀系数键强度高的材料，有低的热膨胀系数3 晶体结构晶体结构 结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而非晶态结构比较松散的结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而非晶态结构比较松散的材料，有较小的热膨胀系数。材料，有较小的热膨胀系数。非等轴晶系的晶体，各晶铀方向的膨胀系数不等，因为层内有非等轴晶系的晶体，各晶铀方向的膨胀系数不等，因为层内有牢固的联系，而层间的联系要弱得多。牢固的联系，而层间的联系要弱得多。层间膨胀系数为小，层内的膨胀系数大。层间膨胀系数为小，层内的膨胀系数大。结构上高度各向异性的材料，体膨胀系

25、数都很小，是一种结构上高度各向异性的材料，体膨胀系数都很小，是一种优良的抗热震材料。优良的抗热震材料。本讲稿第三十五页，共六十页本讲稿第三十六页，共六十页 4 影响金属材料热膨胀系数的其他因素影响金属材料热膨胀系数的其他因素 相变、合金成分和组织、晶体结构及钢中组成相相变、合金成分和组织、晶体结构及钢中组成相 纯金属同素异构转变时，点阵结构重排伴随着金属比容突变纯金属同素异构转变时，点阵结构重排伴随着金属比容突变,导致导致线膨胀系数发生不连续变化线膨胀系数发生不连续变化 有序有序无序转变时无体积突变，膨胀系数在相变温区仅出现拐折无序转变时无体积突变，膨胀系数在相变温区仅出现拐折 组成合金的溶质

26、元素对合金热膨胀有明显影响组成合金的溶质元素对合金热膨胀有明显影响 多相合金的膨胀系数仅取决于组成相性质和数量多相合金的膨胀系数仅取决于组成相性质和数量 钢的热膨胀特性取决于组成相特性钢的热膨胀特性取决于组成相特性 本讲稿第三十七页，共六十页五五 热膨胀系数的测定及应用热膨胀系数的测定及应用 1 热膨胀系数的测定热膨胀系数的测定(1)望远镜直读法望远镜直读法(2)顶杆式间接法顶杆式间接法(3)金属线膨胀系数的测量金属线膨胀系数的测量 2 热膨胀的应用热膨胀的应用(1)陶瓷陶瓷 热膨胀系数是材料的一项重要热学性能热膨胀系数是材料的一项重要热学性能 普通陶瓷坯和釉的膨胀系数相适应，当釉的膨胀系数适

27、当地小于坯的普通陶瓷坯和釉的膨胀系数相适应，当釉的膨胀系数适当地小于坯的膨胀系数时，压应力抑制了釉层的微裂纹产生及发展。膨胀系数时，压应力抑制了釉层的微裂纹产生及发展。若釉层的膨胀系数比坯的大，在釉层中形成拉应力，对强度不利，而且若釉层的膨胀系数比坯的大，在釉层中形成拉应力，对强度不利，而且过大的拉应力还会使釉层龟裂过大的拉应力还会使釉层龟裂 釉层的膨胀系数不能比坯的小得过多，否则会使釉层剥落而造成缺陷。釉层的膨胀系数不能比坯的小得过多，否则会使釉层剥落而造成缺陷。(2)膨胀分析用于材料研究膨胀分析用于材料研究 钢组织转变产生的体积效应要引起材料膨胀、收缩，并叠加在加热或冷却钢组织转变产生的体

28、积效应要引起材料膨胀、收缩，并叠加在加热或冷却过程中单纯因温度改变引起的膨胀和收缩上，导致膨胀曲线偏离一般规律过程中单纯因温度改变引起的膨胀和收缩上，导致膨胀曲线偏离一般规律。本讲稿第三十八页，共六十页一、材料的热传导一、材料的热传导1 热传导的概念热传导的概念 固体材料热量从热端自动地传向冷端固体材料热量从热端自动地传向冷端2 热传导定律热传导定律3 热传率热传率 一定的温度梯度下，单位时间内通过一定的温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量单位垂直面积的热量 第四节第四节 热传导热传导二、热传导的微观机理二、热传导的微观机理 固体导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现固体导热

29、主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现 某一质点处于较高的温度状态，它的热振动就较为强烈，振动某一质点处于较高的温度状态，它的热振动就较为强烈，振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动就会加剧，热振较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动就会加剧，热振动能量就增加，热量就能转移和传递动能量就增加，热量就能转移和传递。1 声子和声子热导声子和声子热导 温度不太高时，主要考虑声频支格波的作用温度不太高时，主要考虑声频支格波的作用本讲稿第三十九页，共六十页（1）声子）声子 一个谐振子的能量变化不能取任意值，只能一个谐振子的能量变化不能取任意值，只能是取量子能量的整数倍是取量子能量的整数倍

30、晶格振动中的能量是量子化的晶格振动中的能量是量子化的 声频波的声频波的“量子量子”称为称为“声子声子”能量是能量是h(2)理想气体的导热公式理想气体的导热公式(3)晶体材料晶体材料 晶体热传导是声子碰撞的结果晶体热传导是声子碰撞的结果 声子间的碰撞引起的散射是晶体中热声子间的碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源阻的主要来源 晶格热振动是非线性的，格波间有一定晶格热振动是非线性的，格波间有一定的耦合作用的耦合作用 格波间相互作用愈大，相应的平均自由格波间相互作用愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低程愈小，热导率也就愈低 本讲稿第四十页，共六十页 2 光子热导光子热导（1）光子热导概念）光子

31、热导概念 固体具有能量固体具有能量辐射出电磁波辐射出电磁波 （热辐射）光子的导热（热辐射）光子的导热（2）单位体积绝对黑体的）单位体积绝对黑体的辐射能量辐射能量（3）辐射传热中）辐射传热中容积热容容积热容（4）辐射能的）辐射能的传导率传导率 对于辐射线是透明的介质，对于辐射线是透明的介质，lr较大，热阻很小；对于辐射线不透较大，热阻很小；对于辐射线不透明的介质，明的介质，lr就很小；对于完全不就很小；对于完全不透明的介质，透明的介质，lr=0 材料的辐射导热性能取决于材料的辐射导热性能取决于材料的光学性能材料的光学性能 式中，斯蒂芬波尔兹曼常数，n折射率，光速。本讲稿第四十一页，共六十页三三

32、影响材料热传导性能的因素影响材料热传导性能的因素1温度的影响温度的影响 热容热容Cv在低温下与温度的在低温下与温度的3次方次方成正比，随着温度的升高，成正比，随着温度的升高，迅速迅速增加增加 低温处低温处(约约40 K)值出现了极大值出现了极大值值 在德拜温度以后，在德拜温度以后，Cv已趋于一恒定已趋于一恒定值，而值，而l值因温度升高而减小值因温度升高而减小,随随温度升高而迅速减小温度升高而迅速减小 晶体材料，在常用温度范围热导晶体材料，在常用温度范围热导率随温度的上升而下降率随温度的上升而下降 金属材料当其温度超过一定值后金属材料当其温度超过一定值后热导率随温度的升高而下降热导率随温度的升高

33、而下降 本讲稿第四十二页，共六十页 2 晶体结构的影响晶体结构的影响 晶体结构愈复杂，热导率愈低晶体结构愈复杂，热导率愈低 非等轴晶系的晶体，热导率存在着各向异性的性质非等轴晶系的晶体，热导率存在着各向异性的性质 同一种材料，多晶体的热导率总是比单晶体小同一种材料，多晶体的热导率总是比单晶体小 非晶态材料的热导率较小。非晶态材料的热导率较小。本讲稿第四十三页，共六十页3 化学组成的影响化学组成的影响 原子质量越小，德拜温度越高，热导率越大原子质量越小，德拜温度越高，热导率越大 晶体中存在缺陷和杂质，使热导率变小晶体中存在缺陷和杂质，使热导率变小 固溶体的形成降低热导率固溶体的形成降低热导率 固

34、溶体热导率与组成的关系杂质含量很低时，固溶体热导率与组成的关系杂质含量很低时，杂质影响十分杂质影响十分显著显著本讲稿第四十四页，共六十页4 复相材料的热导率复相材料的热导率5 气孔的影响气孔的影响 随着气孔率的增大，热导率按随着气孔率的增大，热导率按比例减小比例减小 粉末和纤维材料，其热导率粉末和纤维材料，其热导率比烧结状态时又低很多比烧结状态时又低很多 金属和合金，自由电子对热传金属和合金，自由电子对热传导起支配因素导起支配因素 本讲稿第四十五页，共六十页四四 热导率的测量及应用热导率的测量及应用1 热导率的测量热导率的测量 热导率测量是在导热系数测定仪上进行的热导率测量是在导热系数测定仪上

35、进行的2 导热系数的应用导热系数的应用 多相材料的导热系数可降低，且气体的导热系数比多相材料的导热系数可降低，且气体的导热系数比固体材料要低得多，气孔率高的多孔轻质耐火材料比固体材料要低得多，气孔率高的多孔轻质耐火材料比一般的耐火材料的导热系数低，这是隔热耐火材料生一般的耐火材料的导热系数低，这是隔热耐火材料生产应用的基础产应用的基础 本讲稿第四十六页，共六十页第四节第四节 材料的热稳定性（材料的热稳定性（thermal stability）热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。热冲击损坏类型：1一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。抵抗这类破

36、坏的性能称为抗热冲击损伤性。2一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性。本讲稿第四十七页，共六十页一、热稳定性的表示方法 一般采用比较直观的测定方法。二、热应力 式中：内应力（thermal stress），E弹性模量（elastic modulus），热膨胀系数（heat expansion coefficient），弹性应变（elastic strain）。这种由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。若上述情况是发生在冷却过程中，即T0 T，则材料中内应力为张应力（正值），这种应力才会杆件断裂。本讲稿第四十八页，共六十页 例如，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入27

37、3K的冰水溶中，假设表面层在瞬间降到273K，则表面层趋于的收缩，然而，此时内层还保留在373K，并无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。而内层有一相应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料中热应力逐渐减小，见图3.14。本讲稿第四十九页，共六十页 当平板表面以恒定速率冷却时，温度分布呈抛物线，表面Ts比平均温度Ta低，表面产生张应力+，中心温度Tc比Ta高，所以中心是压应力。假如样品处于加热过程，则情况正好相反。实际无机材料受三向热应力，三个方向都会有涨缩，而且互相影响，下面分析一陶瓷薄板的热应力状态，见图3.15。本讲稿第五十页，共六十页在t=0的瞬间，如果此时达到材料的极限抗拉强度

38、f，则前后二表面将开裂破坏，代入上式：l根据广义虎克定律：l解得：本讲稿第五十一页，共六十页式中：S形状因子（shapefactor），泊松比。三、抗热冲击断裂性能1第一热应力断裂抵抗因子R由上式可知，值愈大，说明材料能承受的温度变化愈大，即热稳定性愈好，所以定义来表征材料热稳定性的因子，即第一热应力因子。对于其它非平面薄板状材料制品本讲稿第五十二页，共六十页 2第二热应力断裂抵抗因子R在无机材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样，瞬时产生最大应力，而是由于散热等因素，使滞后发生，且数值也折减，设折减后实测应力为，令，其中无因次表面应力，见图3.16。另外，令，式中毕奥模数，且无单位，h定义为如

39、果材料表面温度比周围环境温度高1K，在单位表面积上，单位时间带走的热量，导热系数，材料的半厚（cm）。本讲稿第五十三页，共六十页本讲稿第五十四页，共六十页 对于通常在对流及辐射传热条件下观察到的比较低的对于通常在对流及辐射传热条件下观察到的比较低的表面传热系数，S.S.Manson发现max=0.31。即，另,令第二热应力因子（J/(cms)），所以见图3.17。本讲稿第五十五页，共六十页本讲稿第五十六页，共六十页 3冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力实际上，材料所允许的最大冷却（或加热）率。见图3.18，对于厚度为2的无限平板，其温度分布呈抛物线形。，本讲稿第五十七页，共六十页定义第三热应

40、力因子。所以:，这就是材料所能经受的最大降温速率。本讲稿第五十八页，共六十页提高抗热冲击断裂性能的提高抗热冲击断裂性能的措施措施 具体措施（可用方程式解释）有：具体措施（可用方程式解释）有：1提高材料强度提高材料强度 ，减小弹性模量，减小弹性模量E，使，使 提高。提高。2提高材料的热导率提高材料的热导率 ，使，使 提高。提高。3减小材料的热膨胀系数减小材料的热膨胀系数 。4减小表面热传递系数减小表面热传递系数 h。5减小产品的有效厚度。减小产品的有效厚度。本讲稿第五十九页，共六十页 四、抗热冲击损伤性四、抗热冲击损伤性 抗热冲击断裂性抗热冲击断裂性，以强度，以强度应力（应力（strength-stress）理论为判据，）理论为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、陶瓷等无机材料。于玻璃、陶瓷等无机材料。抗抗热热冲冲击击损损伤伤性性，以以应应变变能能断断裂裂能能（strain-fracture energy）为为判判据据，认认为为在在热热应应力力作作用用下下，裂裂纹纹产产生生，扩扩展展以以及及蔓蔓延延的的程程度度与材料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。与材料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。本讲稿第六十页，共六十页