纺织物理第六章纤维的热学性质.ppt

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1、第六章第六章纤维的热学性质纤维的热学性质主要问题：主要问题：纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其相关性质纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其相关性质纤维在不同温度下的高分子柔性、聚集态结构及形态特征纤维在不同温度下的高分子柔性、聚集态结构及形态特征纤纤维维的的物物质质的的热热物物理理性性质质（Thermo-physicalproperties）包包括热输运性质（传质与热传导性质）和热力学性质两大类。括热输运性质（传质与热传导性质）和热力学性质两大类。纤维材料的热辐射防护性能：热光性能；燃烧性质纤维材料的热辐射防护性能：热光性能；燃烧性质热分析技术：（热分析技术：（DTA、DSC、TMA

2、、DMA、TG技术）。技术）。纤维材料的热加工与定形理论与机理纤维材料的热加工与定形理论与机理第六章第六章纤维的热学性质纤维的热学性质涉及章节与重点：涉及章节与重点：1.纤维的热力学状态与性质（热力学状态与转变；（热力学状态与转变；Tg与机理；其他转变形式与机理）与机理；其他转变形式与机理）2.纤维纤维的热物性质（基本概念；热传导机理、参数与方程；纤维导热机理）（基本概念；热传导机理、参数与方程；纤维导热机理）3.纤维纤维的燃烧性质（纤维燃烧性；燃烧机理与过程及其表征；因素与阻燃）（纤维燃烧性；燃烧机理与过程及其表征；因素与阻燃）4.纤维纤维的热分析技术（基本方法；典型应用方法）（基本方法；典

3、型应用方法）5.纤维的热定形（纤维定形概念；基本原理与机制；纤维定形方法）（纤维定形概念；基本原理与机制；纤维定形方法）第一节第一节纤维的热力学状态与性质纤维的热力学状态与性质本节将对纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其本节将对纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其相关性质作基本叙述。相关性质作基本叙述。纤维的纤维的热力学性质热力学性质分子的结构分子的结构热运动状态热运动状态纤维的性状纤维的性状有关有关是温度的函数是温度的函数影响纤维的成形加工和使用性能影响纤维的成形加工和使用性能第一节第一节纤维的热力学状态与性质纤维的热力学状态与性质一、纤维的热力学状态与转变一、纤维的热力学状态与转变

4、1非晶态高聚物的热力学状态与转变非晶态高聚物的热力学状态与转变对对一一非非晶晶态态高高聚聚物物试试样样施施加加一一恒恒定定而而较较小小的的应应力力，在在等等速速升升温温的的环环境境下下观观察察试试样样形形变变与与温温度度的的关关系系，可可得得图图6-1中中所所示示的曲线。通常称为温度的曲线。通常称为温度-形变曲线或热机械曲线。形变曲线或热机械曲线。根根据据试试样样的的力力学学性性质质随随温温度度变变化化的的特特征征，可可以以把把非非晶晶态态高高聚聚物物按按温温度度区区域域的的不不同同，划划为为三三种种力力学学状状态态：玻玻璃璃态态、高高弹弹态态和和粘粘流流态态。并并相相应应地地形形成成两两个个

5、转转变变区区：玻玻璃璃化化转转变变区区和和粘粘弹弹转转变变区区。三三种种力力学学状状态态及及两两种种转转变变区区的的特特征征是是非非晶晶态态高高聚聚物物内部分子处于不同运动状态的宏观表现。内部分子处于不同运动状态的宏观表现。一、纤维的热力学状态与转变一、纤维的热力学状态与转变1非晶态高聚物的热力学状态与转变非晶态高聚物的热力学状态与转变（1）玻玻璃璃态态：链链段段处处于于被被冻冻结结的的状状态态，只只有有那那些些较较小小的的运运动单元，如侧基、支链和小链节等能够运动。动单元，如侧基、支链和小链节等能够运动。（2）玻玻璃璃化化转转变变区区：是是非非晶晶态态高高聚聚物物材材料料对对温温度度十十分分

6、敏敏感感的的区区域域。在在3-5范范围围内内，几几乎乎所所有有性性质质都都发发生生突突变变（如如热热膨膨胀胀系系数数、模模量量、介介电电常常数数、折折光光指指数数等等）。从从分分子子运运动动机机理理看看，在在此此温温度度范范围围，链链段段开开始始解解冻冻，即即链链段段运运动动被被激激发发。此此转变的温度称为玻璃化温度，通常用转变的温度称为玻璃化温度，通常用Tg表示。表示。（3）高高弹弹态态：链链段段的的运运动动，改改变变构构象象以以适适应应外外力力的的作作用用。受受力力时时，分分子子链链在在力力场场作作用用下下可可从从卷卷曲曲状状态态变变到到伸伸展展状状态态，外外力力除除去去，分分子子链链又又

7、可可通通过过单单键键的的内内旋旋转转和和链链段段运运动动回回复复到到原原来来的的卷卷曲曲状状态态。高高弹弹性性的的模模量量为为105107Pa，比比普普弹弹性性的的模模量量（10101011Pa）小小得得多多；形形变变可可达达100-1000%，比比普普弹弹形变（形变（0.01%0.1%）大得多。）大得多。一、纤维的热力学状态与转变一、纤维的热力学状态与转变1非晶态高聚物的热力学状态与转变非晶态高聚物的热力学状态与转变（4）粘粘弹弹转转变变区区：也也是是一一个个对对温温度度十十分分敏敏感感的的区区域域，链链段段可可沿沿作作用用力力方方向向协协同同运运动动。这这不不仅仅使使分分子子链链的的形形态

8、态改改变变，而而且且导导致致大大分分子子链链段段在在长长范范围围内内发发生生相相对对位位移移，聚聚合合物物开开始始出出现现流流动动性性，模模量量迅迅速速下下降降2个个数数量量级级，形形变变迅迅速速增增加加。此此转转变温度称为粘流温度，用变温度称为粘流温度，用Tf表示。表示。（5）粘粘流流态态：在在这这种种状状态态下下，不不仅仅链链段段运运动动的的松松弛弛时时间间缩缩短短了了，而而且且整整个个分分子子链链移移动动的的松松弛弛时时间间也也缩缩短短到到实实验验可可观观察察的的时时间间尺尺度度。这这时时高高聚聚物物在在外外力力作作用用下下会会发发生生粘粘性性流流动动，它它是是整整个个分分子子链链互互对

9、对滑滑移移的的宏宏观观表表现现。这这种种流流动动与与低低分分子子液液体体流流动动相相似似，是是不不可可逆逆的的变变形形。高高聚聚物物的的分分子子量量越越高高，分分子子间间作作用用力力则则越越大大，分分子子的的相相对对位位移移也也越越困困难难。分分子子间间有有化化学学键键交交联联的的高高聚聚物物，由由于于分分子子不不能能发发生生相相对对位位移移，因因此此无无粘粘弹弹转转变区和粘流态。变区和粘流态。一、纤维的热力学状态与转变一、纤维的热力学状态与转变2晶态高聚物的热力学状态与转变晶态高聚物的热力学状态与转变对对于于晶晶态态高高聚聚物物，宏宏观观上上无无明明显显的的玻玻璃璃化化转转变变，其其温温度度

10、形形变变曲线在熔点以前不出现明显的转折。曲线在熔点以前不出现明显的转折。由由于于晶晶态态高高聚聚物物通通常常为为存存在在非非晶晶区区的的两两相相结结构构，因因而而存存在在Tg。在在较较少少结结晶晶的的高高聚聚物物中中，微微晶晶体体起起着着类类似似交交联联点点的的作作用用，这这种种试试样样仍仍然然存存在在明明显显的的玻玻璃璃化化转转变变；当当结结晶晶度度足足够够大大时时，微微晶晶体体彼彼此此衔衔接接，形形成成贯贯穿穿整整个个材材料料的的连连续续结结晶晶相相，玻玻璃璃化化转转变消失。变消失。结结晶晶高高聚聚物物的的晶晶区区熔熔融融后后，是是不不是是进进入入粘粘流流态态，要要视视试试样样的的分分子子

11、量量而而定定。如如果果分分子子量量不不太太大大，非非晶晶区区的的粘粘流流温温度度Tf低低于于晶晶区区的的熔熔点点Tm，则则晶晶区区熔熔融融后后，整整个个试试样样便便成成为为粘粘性性的的流流体体；如如果果分分子子量量足足够够大大，以以致致于于Tf大大于于Tm，则则晶晶区区熔熔融融后后，将将出出现高弹态，如图现高弹态，如图6-2所示。所示。一、纤维的热力学状态与转变一、纤维的热力学状态与转变3纤维高聚物的热力学状态与转变纤维高聚物的热力学状态与转变就就纤纤维维高高聚聚物物而而言言，其其力力学学性性质质随随温温度度变变化化改改变变的的规规律律，有有两种类型：两种类型：（1）热热塑塑性性纤纤维维：大大

12、多多数数热热塑塑性性纤纤维维，如如各各种种合合成成纤纤维维和和醋醋酯酯纤纤维维等等，其其内内部部有有结结晶晶部部分分，但但结结晶晶并并不不完完整整，存存在在很很大大的的非非晶晶态态区区域域。这这类类纤纤维维在在受受热热以以后后，随随着着温温度度的的提提高高，将将相相继继出出现现玻玻璃璃态态、高高弹弹态态、粘粘流流态态三三种种物物理理状状态态，其其热热力力学行为与晶态高聚物相类似。学行为与晶态高聚物相类似。（2）非非热热塑塑性性纤纤维维：如如天天然然和和再再生生纤纤维维素素纤纤维维和和天天然然蛋蛋白白质质纤纤维维，在在受受热热以以后后，随随着着温温度度的的提提高高，将将不不出出现现某某些些物物理

13、理状状态态的的变变化化过过程程，有有的的的的熔熔点点高高于于分分解解点点，在在高高温温作作用用下下，不熔融而分解。不熔融而分解。二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变纤纤维维高高聚聚物物在在玻玻璃璃化化温温度度时时，很很多多性性质质都都发发生生非非连连续续性性的的或或转转折折性性的的变变化化。特特别别是是力力学学性性能能，初初始始模模量量改改变变34个个数数量量级级，使使坚坚硬硬材材料料，突突变变为为柔柔软软弹弹性性体体，完完全全改改变变了了材材料料的的使使用用性性能能。因因此此，玻玻璃璃化化转转变变是是纤纤维维高高聚聚物物的的一一个个非非常常重重要要的的性质，研究玻璃化转变具有

14、重要的理论和实际意义。性质，研究玻璃化转变具有重要的理论和实际意义。1玻璃化温度的测量玻璃化温度的测量（1）体积变化测量：体积或比容随温度变化如图）体积变化测量：体积或比容随温度变化如图6-3所示。所示。（2）热学性质变化测量：热容变化（）热学性质变化测量：热容变化（DTA）和（）和（DSC）。）。（3）力学性质变化测量：力学损耗）力学性质变化测量：力学损耗温度曲线（图温度曲线（图6-4）。）。（4）电磁性质变化测量：介电损耗）电磁性质变化测量：介电损耗温度谱。温度谱。必必须须指指出出，不不同同性性质质的的改改变变所所测测出出的的玻玻璃璃化化温温度度常常不不相相同同。纤纤维维的的玻玻璃璃化化温

15、温度度见见表表6-2。表表中中括括号号内内的的值值为为不不同同试试验验结结果果的的报报道道，玻璃化温度玻璃化温度Tg约为熔融温度约为熔融温度Tm的的1/2(以绝对温度计以绝对温度计)。二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变2玻璃化转变理论玻璃化转变理论对对于于玻玻璃璃化化转转变变现现象象，至至今今尚尚无无完完善善的的理理论论可可以以作作出出完完全全符符合合实实验验事事实实的的正正确确解解释释。已已经经提提出出的的理理论论有有很很多多，但但主主要要的的有三种：有三种：自由体积理论自由体积理论、热力学理论和动力学理论。、热力学理论和动力学理论。自自由由体体积积理理论论认认为为液液体体

16、和和固固体体物物质质，其其体体积积由由两两部部分分组组成成：一一部部分分是是被被分分子子占占据据的的体体积积，称称为为已已占占体体积积；另另一一部部分分是是未未被被分分子子占占据据的的体体积积，称称为为自自由由体体积积。后后者者以以“空空穴穴”的的形形式式分分散散于于整整个个物物质质之之中中。正正是是由由于于自自由由体体积积的的存存在在，分分子子链链才才可可能能通通过过转转动动和和位位移移来来调调整整构构象象。因因此此，玻玻璃璃化化温温度度就就是是自自由由体体积积达达到到某某一一临临界界值值的的温温度度。在在这这临临界界值值以以下下，没没有有足足够够的的空空间间进进行行分分子子链链构构象象的的

17、调调整整，因因而而高高聚聚物物的的玻玻璃璃态态又又被被视视为为等自由体积状态等自由体积状态。二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变3影响玻璃化温度的因素影响玻璃化温度的因素玻玻璃璃化化转转变变是是高高分分子子的的链链段段从从冻冻结结到到运运动动（或或反反之之）的的一一个个转转变变温温度度，而而链链段段运运动动是是通通过过主主链链的的单单键键内内旋旋转转来来实实现现的的，因此，凡是能影响高分子链柔性的因素，都对因此，凡是能影响高分子链柔性的因素，都对Tg有影响。有影响。（1）主主链链结结构构：主主链链由由饱饱和和单单键键构构成成的的高高聚聚物物，由由于于分分子子链链可可以以绕绕单单

18、键键内内旋旋转转，链链的的柔柔性性大大，所所以以Tg较较低低。当当主主链链中中含含有有苯苯环环等等芳芳杂杂环环时时，使使链链中中可可内内旋旋转转的的单单键键数数目目减减少少，链链的柔性降低，因而的柔性降低，因而Tg升高。升高。（2）侧侧基基或或侧侧链链：侧侧基基是是极极性性基基团团时时，由由于于使使内内旋旋转转活活化化能能增增加加，因因而而Tg升升高高。若若侧侧基基是是非非极极性性基基团团，其其影影响响主主要要是是空空间间位位阻阻效效应应，侧侧基基体体积积越越大大，对对内内旋旋转转阻阻碍碍越越大大，使使Tg升升高高。具具有有大大侧侧链链的的材材料料，也也有有较较低低的的Tg，是是因因为为分分子

19、子间间作作用用力减弱和侧链柔顺性好的缘故。力减弱和侧链柔顺性好的缘故。二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变3影响玻璃化温度的因素影响玻璃化温度的因素（3）分分子子量量：当当分分子子量量较较低低时时，Tg随随分分子子量量增增加加而而增增加加；当当分分子子量量超超过过一一定定程程度度以以后后，Tg随随分分子子量量增增加加就就不不明明显显了了。这这是是因因为为在在分分子子链链两两端端各各有有一一个个链链端端链链段段，这这种种链链端端链链段段的的活活动动能能力力要要比比一一般般的的链链段段来来得得大大。分分子子量量低低，链链端端效效应应越越高高，分分子子量量大大，链链端端的的比比例例少

20、少。当当分分子子量量增增加加到到一一定定程程度度以以后后，这种链端链段占的比例很小，因此这种链端链段占的比例很小，因此Tg不再随分子量变化。不再随分子量变化。（4）交交联联：当当分分子子间间存存在在交交联联时时，链链段段活活动动能能力力下下降降，Tg升高。交联点密度越高，升高。交联点密度越高，Tg增加越甚。增加越甚。（5）混混合合、接接枝枝及及共共聚聚：混混合合高高聚聚物物中中的的两两种种成成分分相相容容时时，表表现现出出单单一一材材料料的的性性能能。例例如如，聚聚丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯和和聚聚醋醋酸酸乙乙烯烯酯酯的的Tg分分别别为为15及及45，50:50混混合合聚聚合合成成的的材材料料，Tg

21、为为80。当当两两种种高高分分子子在在混混合合体体中中不不相相容容时时，则则可可观观察察到到两两个个玻璃化转变，分别接近于两种高分子材料的玻璃化温度。玻璃化转变，分别接近于两种高分子材料的玻璃化温度。二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变3影响玻璃化温度的因素影响玻璃化温度的因素（6）增增塑塑剂剂的的作作用用：增增塑塑剂剂的的分分子子量量低低，加加入入高高分分子子材材料料中中使使材材料料的的柔柔软软度度增增大大。增增塑塑剂剂溶溶于于高高分分子子材材料料中中间间，会会使使分分子子链链间间作作用用力力减减弱弱，因因此此材材料料的的Tg下下降降，并并且且使使损损耗耗峰峰变变宽宽。在在增

22、增塑塑剂剂局局部部溶溶解解于于高高分分子子材材料料或或与与高高分分子子起起作作用用时时，更为显著。更为显著。（7）结结晶晶的的作作用用：晶晶态态高高聚聚物物中中通通常常都都存存在在非非晶晶部部分分，因因此此仍仍有有玻玻璃璃化化温温度度，但但是是由由于于微微晶晶的的存存在在，使使非非晶晶部部分分链链段段的的活活动动能能力力受受到到牵牵制制。一一般般晶晶态态高高聚聚物物的的Tg要要高高于于非非晶晶态态同同种种高高聚聚物物的的Tg，例例如如，无无定定形形聚聚对对苯苯二二甲甲酸酸乙乙二二醇醇酯酯的的Tg=69，而而结结晶晶度度为为50%的的结结晶晶聚聚对对苯苯二二甲甲酸酸乙乙二二醇醇酯酯的的Tg=81

23、，并并且且随随结结晶晶度度的的增增加加Tg也也增增加加。另另外外，当当结结晶晶度度足足够够大大时时，微微晶晶体体彼彼此此衔衔接接，非非晶晶部部分分链链段段的的活活动动难难以以进进行行，宏观上将觉察不到明显的玻璃化转变。宏观上将觉察不到明显的玻璃化转变。三、纤维高聚物的多重转变三、纤维高聚物的多重转变1.非晶态高聚物的多重转变非晶态高聚物的多重转变对对于于非非晶晶态态高高聚聚物物而而言言，在在玻玻璃璃化化温温度度以以下下，尽尽管管链链段段运运动动被被冻冻结结了了，但但是是多多种种小小尺尺寸寸的的运运动动单单元元仍仍能能运运动动，因因为为它它们们运运动动所所需需要要的的活活化化能能较较低低，可可以

24、以在在较较低低的的温温度度下下被被激激发发。自自然然，随随着着温温度度的的升升降降，这这些些小小尺尺寸寸的的运运动动单单元元同同样样也也要要发发生生从从冻冻结结到到运运动动或或从从运运动动到到冻冻结结的的转转变变过过程程。如如图图6-6（a）所所示示，非非晶晶态态高高分分子子材材料料的的典典型型动动态态粘粘弹弹谱谱图图中中，除除玻玻璃璃化化主主转转变变之之外外，在在低低于于Tg的的范范围围内内，还还存存在在许许多多小小的的转转变变。一一般般将将玻玻璃璃化化转转变变称称为为主主转转变变，用用代代表表，而而将将低低于于Tg的的转转变变称称为为次次级级转转变变，并并按按转转变变温温度度自自高高到到低

25、低的的顺顺序序分分别别记记作作、等等。次次级级转转变变峰峰存存在在的的原原因因较较为为复复杂杂，一一般般认认为为是是与与主主链链的的侧侧基基、支支链链、主主链链或或支支链链上上的的各各种种官官能能团团、几几个个链链节节和和链链段的某一局部的运动有关。段的某一局部的运动有关。三、纤维高聚物的多重转变三、纤维高聚物的多重转变2.晶态高聚物的多重转变晶态高聚物的多重转变对对于于晶晶态态高高聚聚物物而而言言，由由于于同同时时含含有有晶晶态态和和非非晶晶态态部部分分，所所以以除除了了具具有有非非晶晶态态高高聚聚物物所所具具有有的的、转转变变之之外外，还还有有晶晶区区部部分分的的转转变变，如如图图6-6（

26、b）所所示示，包包括括晶晶区区的的解解序序（预预熔熔）、熔熔融融等等转转变变。此此外外，由由于于晶晶区区缺缺陷陷的的存存在在，例例如如链链的的折折叠叠部部分分、链链的的尾尾端端等等运运动动也也会会产产生生转转变变。另另外外，结结晶晶高高聚聚物物还还可可能能产产生生晶晶型型转转变变，即即从从一一种种结结晶晶结结构构转转变变为为另另一一种结晶结构。种结晶结构。三、纤维高聚物的多重转变三、纤维高聚物的多重转变3.多重转变的表征方法多重转变的表征方法高高聚聚物物的的多多重重转转变变，是是高高聚聚物物内内部部各各种种尺尺寸寸运运动动单单元元运运动动的的体体现现，通通常常可可以以采采用用动动态态粘粘弹弹谱

27、谱和和动动态态介介电电谱谱来来表表征征。图图6-7为为两两种种含含单单体体量量不不同同的的聚聚酰酰胺胺-6的的动动态态粘粘弹弹谱谱，图图中中转转变变为为Tg；转转变变为为主主链链中中CONH的的运运动动；转转变变为为主主链链中中三三个个CH2链链节节的的曲曲柄柄运运动动。可可以以看看出出，随随单单体体含含量量增增加加，、转变温度下降，这显然是由于单体起了增塑的作用。转变温度下降，这显然是由于单体起了增塑的作用。第二节第二节纤维的热物理性质纤维的热物理性质物物质质的的热热物物理理性性质质包包括括热热输输运运性性质质（传传质质与与热热传传导导性性质质）和和热力学性质两大类。其主要研究范畴，通常涉及

28、五方面：热力学性质两大类。其主要研究范畴，通常涉及五方面：材材料料的的热热物物性性质质在在不不同同环环境境和和物物理理状状态态下下的的特特征征和和规规律律（温度、压力、湿度、气孔、密度、气氛等）；（温度、压力、湿度、气孔、密度、气氛等）；宏宏观观热热物物性性与与组组成成、结结构构（结结晶晶、取取向向、界界面面和和微微细细结结构构）和工艺因素的关系；和工艺因素的关系；微微观观热热传传导导机机理理和和理理论论（电电子子、声声子子、光光子子和和分分子子的的碰碰撞撞与运动导热规律与理论模型）；与运动导热规律与理论模型）；热物性表征方法与理论；热物性表征方法与理论；特特征征热热物物性性材材料料（导导热热

29、材材料料）和和数数据据库库（各各种种材材料料的的热热物物性数据及识别对比，数据集合、筛选、优化和分析）。性数据及识别对比，数据集合、筛选、优化和分析）。本本节节主主要要讨讨论论热热传传导导性性质质中中的的基基本本概概念念，传传导导机机制制，以以及及热热传导性质在纤维及其集合体的体现。传导性质在纤维及其集合体的体现。第二节第二节纤维的热物性质纤维的热物性质一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导1热传导的基本概念热传导的基本概念传传热热是是热热量量从从高高温温区区域域向向低低温温区区域域传传播播的的过过程程，即即由由温温差差引引起起的的。通通常常热热量量的的传传递递分分为为三三种种基基本

30、本方方式式：传传导导、对对流流和和辐辐射射。在在实实际际传传热热中中，极极少少是是单单一一形形式式，往往往往为为两两种种或或全全部部三三种的复合传热。种的复合传热。在不透明的固体中，热流只能通过热传导而进行在不透明的固体中，热流只能通过热传导而进行在透明或半透明的固体中，可以出现热传导和辐射在透明或半透明的固体中，可以出现热传导和辐射在液体和气体中，同时出现热传导、对流和辐射传热过程。在液体和气体中，同时出现热传导、对流和辐射传热过程。纤纤维维及及其其纤纤维维集集合合体体通通常常是是固固体体和和气气体体的的混混合合体体或或多多孔孔材材料料，而而且且往往往往又又是是透透明明或或半半透透明明物物质

31、质，因因此此传传热热的的三三种种方方式式都都有有可能存在。可能存在。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导热热传传导导的的解解释释是是，物物质质内内分分子子或或晶晶格格随随机机运运动动中中直直接接的的动动能能交交换换，或或金金属属中中自自由由电电子子的的漂漂移移，使使一一物物体体同同另另一一物物体体或或物物体体一一部部分分同同另另一一部部分分之之间间发发生生的的内内能能交交换换。这这种种能能量量或或热热量量的的流流动动，是是由由能能量量较较高高的的粒粒子子与与能能量量较较低低粒粒子子的的换换能能。由由于于结结晶晶材材料料的的热热量量传传导导是是通通过过晶晶格格的的振振动动实实现现的的

32、，而而其其能能量量是是量量子子化化的的，因因此此把把晶晶格格振振动动的的“量量子子”称称为为声声子子。这这样样，介介电电物物质质的的热热传传导导就就可可以以看看成成是是声声子子相相互互作作用用和和碰碰撞撞的的结结果果。传传导导的的显显著著特特征征是是，热热传传输输中中没没有有明明显显的的物物质质移移动动。其其导导热热量量QF的数学表达为傅立叶（的数学表达为傅立叶（Fourier）导热定律：）导热定律：式式中中，为为导导热热系系数数（kCal/hrm,Cal/seccm,W/moK,W/moC）；A为为垂垂直直于于热热流流方方向向的的传传导导面面积积（m2,cm2）；T为为传传导导距距离离L（m

33、,cm）两端的温度差（两端的温度差（）；）；t为热传导的时间（为热传导的时间（hr,sec）。）。(6.6)一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导热热的的对对流流所所定定义义的的是是，物物质质宏宏观观流流动动引引起起其其中中一一部部分分物物质质与与另另一一部部物物质质混混合合的的过过程程。能能量量（或或粒粒子子）从从空空间间一一点点转转移移到到另另一一点点的的传传递递是是借借流流体体本本身身的的位位移移来来实实现现的的。该该流流动动混混合合过过程程，可可以以由由高高能能量量区区向向低低能能量量区区转转移移，亦亦可可反反之之。前前者者为为流流体体物物质质温温度度差差造造成成的的密密度度

34、差差引引起起的的流流动动，称称为为自自由由或或自自然然对对流流；后后者者需需外外界界机机械械作作用用（如如风风机机、泵泵等等）引引起起的的对对流流，称称为为强强迫迫对对流流。通通常常是是不不可可能能观观察察到到流流体体内内的的纯纯热热传传导导，因因为为温温差差一一加加到到流流体体上上，就就会会因因密密度度差差而而发发生生自自由由对对流流。对对流流通通常常为为固固体体表表面面和和与与其其相相邻邻运运动动流流体体间间的的换换能能，其其对对流流换换热热量量QN的简洁而经典的表达为牛顿冷却定律：的简洁而经典的表达为牛顿冷却定律：式式中中，为为表表面面换换热热系系数数，或或膜膜系系数数，对对流流系系数数

35、（W/m2oK,W/moC）；A为流体和固体间的界面面积（为流体和固体间的界面面积（m2）；）；T为固体与流体的温差（为固体与流体的温差（oK，）。）。(6.7)一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导热热的的辐辐射射是是表表述述由由受受热热激激发发的的物物体体表表面面发发出出的的电电磁磁辐辐射射。这这种种电电磁磁辐辐射射向向四四周周发发射射，当当它它碰碰到到其其他他物物体体时时，可可能能被被反反射射、透透过过和和吸吸收收。若若入入射射的的辐辐射射为为热热辐辐射射（即即具具有有相相应应的的波波长长），则则吸吸收收的的辐辐射射能能量量在在物物体体内内表表现现为为热热。因因此此，这这种种传

36、传热热方方式式与与前前述述两两种种方方式式完完全全不不同同，无无需需传传递递介介质质。两两热热辐辐射射物物体体间间，将将不不断断地地进进行行能能量量交交换换，有有净净能能量量时时，两两物物质质表表面面存存在在温温度度差差，净净能能量量为为零零时时达达热热平平衡衡，但但能能量量交交换换仍仍继继续续。热热辐辐射射能能量量QSB可可由由斯斯蒂蒂芬芬-玻玻尔尔兹兹曼曼（Stefan-Boltzmann）的的辐辐射射定定律律给出：给出：式式中中，QSB为为单单位位面面积积的的表表面面辐辐射射能能（W/m2）；为为该该表表面面的的辐辐射射能能力力，介介于于0和和1之间；之间；为通用物理常数（为通用物理常数

37、（W/m2oK）。）。(6.8)一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导2热传导的基本研究方式热传导的基本研究方式所所谓谓微微观观途途径径是是从从物物理理学学科科或或材材料料学学科科的的角角度度出出发发，以以固固体体物物理理和和晶晶体体化化学学等等为为基基础础，通通过过微微观观粒粒子子和和晶晶格格运运动动及及相相互互作作用用的的研研究究，从从本本质质上上揭揭示示物物质质热热传传导导的的机机理理，阐阐明明影影响响热热传传导导的的结结构构和和物物理理化化学学因因素素，把把微微观观结结构构、传传导导机机制制和和宏宏观观热热物物性性质质联联系系起起来来，找找出出其其内内在在规规律律，进进而而预

38、预测测材材料料的的宏宏观观热热物物性性质质。由由于于通通过过微微观观途途径径，不不仅仅可可以以建建立立起起对对材材料料传传热热的的基基本本认认识识，而而且且将将成成为为设设计计功功能能热热物物性性材材料料和和发发展展高高性性能能换换能能器器件件的的不不可可或或缺缺的的重重要要手手段段，以以及及微微尺尺度度传传热热学学研研究究的的基础。基础。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的一般热传导性质物质的一般热传导性质物物质质的的热热传传导导性性质质是是指指与与能能量量和和动动量量传传递递过过程程有有关关的的导导热热系系数数、导导温温系系数数、粘粘度度、热热膨膨胀胀系系数数以以及及热

39、热辐辐射射性性质质（发发射射率率、吸吸收收率率、反反射射率率）等等i。美美国国普普渡渡大大学学热热物物理理性性质质研研究究中中心心（TPRC），曾曾对对六六个个热热物物理理性性质质汇汇编编了了十十三三卷卷固固体体材材料料和和流流体体介介质质的的热热物物性性手手册册，即即表表征征导导热热能能力力的的导导热热系系数数、表表征征均均温温能能力力的的导导温温系系数数、表表征征蓄蓄热热能能力力的的比比比比热热量量Cp，以以及及热热膨膨胀胀系系数数、热热发发射射率率和和粘粘度度等等六六个个热热物物理理性性质质。其其中中，可可从从宏宏观观传传导导模模型型或或从从微微观观机机理理上上导导出出，但但由由于于问问

40、题题的的复复杂杂性性，至至今今还还未未能能精精确确地地进进行行具具体体计计算算，热热物物性性基基本本上上仍仍须须依依靠靠直直接的实验测定接的实验测定ii。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的一般热传导性质物质的一般热传导性质（1）导导热热系系数数：物物质质热热传传导导性性质质主主要要决决定定于于材材料料的的导导热热系系数数，导导热热系系数数是是物物质质的的一一种种输输运运特特性性，它它标标志志着着热热扩扩散散过过程程中中的的能能量量传传递递速速率率。这这一一参参数数取取决决于于物物质质，原原子子、分分子子和和晶晶格格的的物物理理结结构构，并并与与物物质质状状态态有有关关。通

41、通过过对对不不同同聚聚集集状状态态下下各各种种物物质质导导热热系系数数的的测测试试和和研研究究发发现现，各各种种物物质质以以及及它它们们在在不同聚集状态时的导热系数的一般规律是：不同聚集状态时的导热系数的一般规律是：如如图图6-8所所示示，固固体体的的导导热热系系数数比比气气体体的的大大过过四四个个数数量量级级，这这一一特特征征是是由由于于两两者者分分子子间间距距的的差差别别很很大大所所造造成成。固固、液液、气气三三态态的的热热导导机机制制中中，热热量量传传导导的的速速度度以以电电子子碰碰撞撞的的机机制制最最快快，声声子子碰碰撞撞次次之之，分分子子或或原原子子碰碰撞撞最最慢慢。金金属属晶晶体体

42、中中，热热传传导导主主要要通通过过电电子子的的相相互互作作用用和和碰碰撞撞来来实实现现的的，声声子子的的相相互互作作用用和和碰碰撞撞传传导导较较微微小小。结结晶晶高高聚聚物物导导热热系系数数一一般般取取决决于于声声子子的的传传导导，当当然然也也有有结结构构缺缺陷陷、孔孔穴穴和和无无序序区区引引起起的的原原子子和和分分子子，乃乃至至分分子子链链段段的的相相互互作作用用和和碰碰撞撞的的贡贡献献。因因此此，导导热热系系数数最最小小的的是是气气体体，而而液液体体（金金属属液体除外）的导热系数大多是介于介电体和气体的导热系数之间。液体除外）的导热系数大多是介于介电体和气体的导热系数之间。一、物质的热物性

43、与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的一般热传导性质物质的一般热传导性质（2）导导温温系系数数：如如果果温温度度场场随随时时间间而而变变，这这类类情情况况下下的的热热量量传传播播过过程程就就称称作作“不不稳稳定定传传热热”或或“非非稳稳态态传传热热”。该该过过程程的的不不稳稳定定性性是是由由物物体体焓焓的的改改变变所所引引起起的的，且且加加热热或或冷冷却却的的现象永远联系在一起。现象永远联系在一起。由由于于物物体体焓焓的的变变化化速速度度和和材材料料导导热热能能力力（即即导导热热系系数数）成成正正比比和和储储热热能能力力（即即容容积积热热容容量量CP）成成反反比比、所所以以在在不不稳稳定定状

44、态下的热过程速度决定于导温系数状态下的热过程速度决定于导温系数，并有，并有，其中其中CP为定压比热；为定压比热；为密度。为密度。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的一般热传导性质物质的一般热传导性质（3）比比热热C：又又称称比比热热容容，是是物物质质的的基基本本热热物物理理性性质质，不不仅仅是是评评价价材材料料隔隔热热性性能能的的重重要要物物理理量量，而而且且是是对对热热过过程程、热热系系统统进进行行热热计计算算和和热热设设计计的的重重要要参参数数之之一一。对对于于瞬瞬时时或或短短期期使使用用的的高高温温防防热热材材料料，以以及及使使用用时时间间较较长长的的蓄蓄热热材材料料

45、，都都希希望望具具有有高高的的热热容容，以以期期在在使使用用过过程程中中吸吸收收更更多多的的热热量量。所所谓谓热热容是：物质的温度容是：物质的温度T升高一度所需要的热量升高一度所需要的热量Q。可分为。可分为:平均热容平均热容真热容真热容一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的一般热传导性质物质的一般热传导性质为为表表示示单单位位质质量量物物质质的的热热容容，又又可可分分为为比比热热（容容）、克克分分子子热容（分子热）和克原子热容（原子热）。热容（分子热）和克原子热容（原子热）。比热比热C的定义是使一克物质升高一度所需的热量。的定义是使一克物质升高一度所需的热量。克克分分子子热热

46、容容C0的的定定义义是是使使一一克克分分子子物物质质升升高高一一度度所所需需要要的的热热量（量（C0=MC，M为分子量）。为分子量）。克克原原子子热热容容C*的的定定义义是是使使一一克克原原子子物物质质升升高高一一度度所所需需要要的的热热量。量。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的一般热传导性质物质的一般热传导性质对对同同一一物物质质（特特别别是是气气体体），比比热热的的大大小小和和加加热热时时的的温温度度、压强和体积有关。故比热又可分为定压比热压强和体积有关。故比热又可分为定压比热Cp和定容比热和定容比热Cv。物物质质定定压压比比热热Cp与与定定容容比比热热Cv的的差差值

47、值大大小小与与该该物物质质所所处处的的状状态态密密切切相相关关。对对于于气气体体来来说说，压压强强不不变变升升高高温温度度时时，因因膨膨胀胀而而对对外外做做功功，需需要要吸吸收收更更多多的的热热量量，所所以以除除升升高高气气体体温温度度所所需需的的热热量量外外，还还要要多多给给一一部部分分热热量量以以补补偿偿气气体体膨膨胀胀所所作作的的功功，因因此此气气体体的的Cp总总比比Cv要要大大。但但是是对对于于液液体体和和固固体体来来说说，温温度度升升高高一一度度时时，体体积积几几乎乎不不变变，所所以以在在一一般般温温度度下下其其CpCv；在在高高温温下下，Cp不不等等于于Cv。Cv值值一一般般不不能

48、能由由实实验验直直接接测测定定，所所有有比比热热测测试试方方法法测测出出的的都都是是Cp。在在工工程程计计算算中中应应用用的的比比热热数数据据一般都是一般都是Cp值。值。二、热传导方程与热阻二、热传导方程与热阻1各向同性材料的热传导方程各向同性材料的热传导方程在在直直角角坐坐标标系系中中微微分分形形式式的的热热传传导导方方程程是是最最常常用用的的，其其分分为为稳态（与时间无关）和非稳态（与时间有关）通式。稳态（与时间无关）和非稳态（与时间有关）通式。各各个个方方向向导导热热系系数数相相同同的的均均匀匀物物质质，称称为为各各向向同同性性材材料料。考考虑虑一一各各向向同同性性材材料料的的热热传传导

49、导微微元元体体（dx、dy、dz），如如图图6-9所所示示的的该该微微元元体体位位于于三三维维直直角角坐坐标标系系（x,y,z）中中，考考虑虑温温度度场场T(x,y,z,t)随随时时间间t变变化化的的非非稳稳定定状状况况。按按傅傅里里叶叶热热传传导导定定律（式律（式6.6）的通式：）的通式：二、热传导方程与热阻二、热传导方程与热阻2各向异性材料的热传导各向异性材料的热传导纤纤维维及及其其纤纤维维制制品品因因在在各各个个方方向向上上的的结结构构和和排排列列不不同同，因因而而不不同同方方向向上上的的导导热热系系数数也也不不同同，即即典典型型的的各各向向异异性性体体。晶晶体体中中晶晶格格的的排排列列

50、方方向向不不同同和和变变化化；纤纤维维中中分分子子排排列列的的取取向向；纤纤维维集集合合体体中中纤纤维维本本身身排排列列的的方方向向性性都都将将导导致致其其导导热热系系数数随随方方向的不同而变化。向的不同而变化。温温差差是是导导热热过过程程的的驱驱动动力力。在在均均匀匀各各向向同同性性材材料料中中，某某一一方方向向上上的的热热流流密密度度仅仅与与该该方方向向上上的的温温度度变变化化率率有有关关。在在各各向向异异性性材材料料中中，情情况况不不完完全全相相同同。根根据据不不可可逆逆过过程程热热力力学学的的基基本本原原理理，许许多多不不可可逆逆过过程程都都是是物物质质某某种种性性质质的的不不均均匀匀