无机材料物理性能第讲 (2)精品文稿.ppt

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1、无机材料物理性能第讲第1页，本讲稿共56页无机材料的晶格热振动无机材料的晶格热振动 材料的各种热性能的物理本质，均与材料的各种热性能的物理本质，均与晶晶格热震动格热震动有关。有关。晶体点阵中的质点（原子、离子）总晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着衡位置作微小震动，称为是围着衡位置作微小震动，称为晶格热震晶格热震动。动。内部各质点热运动动能之和，称为内部各质点热运动动能之和，称为物体物体的热量的热量。第2页，本讲稿共56页无机材料的热容无机材料的热容热容定义热容定义热容是使材料温度升高热容是使材料温度升高1k所需的能量，它所需的能量，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，反映材料从周围环境中

2、吸收热量的能力，不同温度下，热容不同不同温度下，热容不同 第3页，本讲稿共56页热容的分类热容的分类q 比热容比热容 l 平均热容（注意适用温度范围）平均热容（注意适用温度范围）l摩尔热容摩尔热容q 恒压热容恒压热容l 恒容热容恒容热容第4页，本讲稿共56页无机材料的热容无机材料的热容 一般有 Cp Cv，Cp测定简单，Cv更有理论意义。第5页，本讲稿共56页无机材料的热容无机材料的热容第6页，本讲稿共56页 晶态固体热容的经验定律晶态固体热容的经验定律 元素热容定律元素热容定律-杜隆杜隆-珀替定律珀替定律 化合物定律化合物定律-柯普定律柯普定律但轻元素原子热容需改用以下值但轻元素原子热容需改

3、用以下值HBCOFSiPSCl9.611.37.516.7 20.9 15.9 22.5 22.5 20.4第7页，本讲稿共56页成功之处：成功之处：成功之处：成功之处：高温下与试验结果基本符合高温下与试验结果基本符合杜隆杜隆-珀替定律珀替定律第8页，本讲稿共56页杜隆杜隆-珀替定律珀替定律局限性：局限性：局限性：局限性：l 不能说明高温下，不同温度下热容的微小差别不能说明高温下，不同温度下热容的微小差别l 不不能能说说明明低低温温下下，热热容容随随温温度度的的降降低低而而减减小小，在在接接近近绝绝对对零零度度时时，热热容容按按T的的三三次次方方趋趋近近与与零的试验结果零的试验结果第9页，本讲

4、稿共56页德拜模型德拜模型当温度较高时，T D，Cv=3Nk=25J/mol.K当温度很低时，T D，有：即：CP与T对的立方成比例，与实验结果相吻合 热容的量子理论第10页，本讲稿共56页无机材料的热容规律无机材料的热容规律不不同同材材料料D不不同同，D取取决决于于材材料料的的键键 强强度度，弹弹性性模模量量和和熔熔点点。德德拜拜温温度度约约为为熔熔点点的的0.20.20.50.5倍。倍。l无机材料有大致相同的比热曲线。无机材料有大致相同的比热曲线。第11页，本讲稿共56页无机材料的热容规律无机材料的热容规律不同温度下某些陶瓷材料的热容不同温度下某些陶瓷材料的热容第12页，本讲稿共56页无机

5、材料的热容规律无机材料的热容规律多相复合材料的热容约等于构成该复合材料的物质的热容之和多相复合材料的热容约等于构成该复合材料的物质的热容之和 C=giCi式中，gi：材料中第i种组成的重量百分数，ci：材料中第i种组成的比热容。l相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。l其中：一级相变其中：一级相变Cp在相变温度突变；在相变温度突变；二级相变二级相变Cp在相变温度附近剧烈变化在相变温度附近剧烈变化第13页，本讲稿共56页无机材料的热容规律无机材料的热容规律根据热容选材：根据热容选材：材料升高一度，需吸收的热量不同。吸收材料升高一度，需吸收的热量不同。

6、吸收热量小，热损耗小，同一组成，质量不同热容热量小，热损耗小，同一组成，质量不同热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需也不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉体迅速升温，同时降使用轻质隔热砖，便于炉体迅速升温，同时降低热量损耗。低热量损耗。第14页，本讲稿共56页无机材料的热膨胀无机材料的热膨胀热膨胀系数热膨胀系数 l线膨胀系数：l体膨胀系数：l线膨胀系数与体膨胀系数的关系:第15页，本讲稿共56页无机材料的热膨胀无机材料的热膨胀某些无机材料热膨胀系数与温度的关系某些无机材料热膨胀系数与温度的关系第16页，本讲稿共56页 前前面面我我们们用用原原子子的的间间谐谐振振

7、动动解解释释了了固固体体的的比比热热问问题题，但但晶晶体体的的另另一一些些热热学学性性能能如如热热膨膨胀胀、热热传传导导则则不不能能用用间间谐谐振振动动来来解解释释，必必须考虑非间谐振动须考虑非间谐振动。固体材料的热膨胀机理固体材料的热膨胀机理第17页，本讲稿共56页固体材料的热膨胀机理固体材料的热膨胀机理rr0时。斜率较小，引力随位移的增大要慢些 产生线膨胀的原因不是简谐振动，而是因为原子间的受力是不均衡的。质点在平衡位置两侧，受力不对称：第18页，本讲稿共56页热膨胀性能与其它性能的关系热膨胀性能与其它性能的关系la)热膨胀和结合能、熔点的关系：热膨胀和结合能、熔点的关系：结合能高，结合能

8、高，也高也高lb)b)热膨胀与热膨胀与T T、热容的关系：热容的关系：温度高，温度高，l l大，热容有相似的规律大，热容有相似的规律 lc)c)热膨胀与结构的关系热膨胀与结构的关系 ld)d)压力和应力对热膨胀的影响压力和应力对热膨胀的影响 第19页，本讲稿共56页膨胀系数和键强的关系膨胀系数和键强的关系 q q2（常数）（常数）NaCl 1/6 4010-6 1.1010-6 CaF2 2/8 1910-6 1.1910-6 MgO 2/6 1010-6 1.1110-6 ZrO2 4/8 4.510-6 1.1210-6第20页，本讲稿共56页热膨胀性能与其它性能的关系热膨胀性能与其它性能

9、的关系la)热膨胀和结合能、熔点的关系：热膨胀和结合能、熔点的关系：结合能高，结合能高，小。小。lb)b)热膨胀与热膨胀与T T、热容的关系：热容的关系：温度高，温度高，l l大，热容有相似的规律大，热容有相似的规律 lc)c)热膨胀与结构的关系热膨胀与结构的关系 ld)d)相变对热膨胀的影响相变对热膨胀的影响 第21页，本讲稿共56页无机材料的平均热膨胀系数无机材料的平均热膨胀系数 1.1-2.0堇青石瓷堇青石瓷 4.2 ZrO2 9.0窗玻璃窗玻璃 5.3莫来石莫来石 0.5熔融石英玻璃熔融石英玻璃 7.6尖晶石尖晶石 5.5粘土耐火材料粘土耐火材料 10.0ZrO2（稳定化）（稳定化）1

10、2SiO2 13.5MgO 7.4TiC 9.0BeO 4.7SiC 3.1金刚石金刚石线膨胀系数线膨胀系数 1/oC106(01000)oC 材材 料料线膨胀系数线膨胀系数 1/oC106(01000)oC 材材 料料第22页，本讲稿共56页纯金属的平均线膨胀系数纯金属的平均线膨胀系数10-6（0100 0C）金属金属线膨胀系数线膨胀系数金属金属线膨胀系数线膨胀系数Li58Si6.95Be10.97Ca17.0B8.0Zn38.7Na71.0Zr5.83Mg27.3K84Al23.8Ti7.14第23页，本讲稿共56页热膨胀与结合能、熔点的关热膨胀与结合能、熔点的关 结合力强，势能曲线深而狭

11、窄，升高同样的温度，质结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。点振幅增加的较少，热膨胀系数小。单质材料单质材料 ro(10-10m)结合能结合能103J/mol 熔点熔点(oC)l(10-6)金刚石金刚石1.54712.335002.5硅硅2.35364.514153.5锡锡5.3301.72325.3第24页，本讲稿共56页 热膨胀与温度、热容的关系热膨胀与温度、热容的关系 晶格振动加剧晶格振动加剧 引起体积膨胀引起体积膨胀(l)吸收能量吸收能量 升高单位温度升高单位温度 l、Cv与温度有相似的规与温度有相似的规律律=CvT/oC l比热容比热容第25页

12、，本讲稿共56页热膨胀与结构的关热膨胀与结构的关 结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小 对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致膨对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致膨胀系数较大，约在胀系数较大，约在6810-6/0C，升高到德拜特征温度时，升高到德拜特征温度时，增加到增加到 101510-6/0C。如：如：MgO、BeO、Al2O3、MgAl2O4、BeAl2O4都具有相当大都具有相当大的膨胀系数。的膨胀系数。固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅加大，原子间距离增加时，

13、部分的被结构内部空隙振幅加大，原子间距离增加时，部分的被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀就小。所容纳，宏观膨胀就小。如：石英如：石英 1210-6/K ，石英玻璃，石英玻璃0.510-6/K第26页，本讲稿共56页晶体的各向异性膨胀晶体的各向异性膨胀各层间的结合力不同引起热膨胀不同。各层间的结合力不同引起热膨胀不同。晶体晶体垂直垂直C 平行平行C 晶体晶体垂直垂直C平行平行CAl2O38.39.3SiO2(石英石英)1493Al2O32SiO24.55.7NaAlSi3O8413TiO26.88.3C(石墨石墨)127ZrSiO46.88.3Mg(OH)2114.5CaCO3-625第27页，本讲

14、稿共56页多晶和复合材料的热膨胀多晶和复合材料的热膨胀 无机材料都是多晶体或由几种晶体和无机材料都是多晶体或由几种晶体和玻璃相组成的复合体。玻璃相组成的复合体。各向异性的多晶体或复合材料，由于各向异性的多晶体或复合材料，由于其中各部分的其中各部分的有所不同，而在烧成后的有所不同，而在烧成后的冷却过程中会产生内应力，而导致热膨胀。冷却过程中会产生内应力，而导致热膨胀。第28页，本讲稿共56页陶瓷制品表面釉的膨胀陶瓷制品表面釉的膨胀无限大的上釉陶瓷平板样品应力计算：无限大的上釉陶瓷平板样品应力计算：第29页，本讲稿共56页热膨胀性质的应用热膨胀性质的应用1.1.陶瓷材料的坯、釉适应性：陶瓷材料的坯

15、、釉适应性：釉略小于坯，制品强度高如果：釉坯，釉裂如果：釉坯，釉层剥落第30页，本讲稿共56页2.2.陶瓷材料与其他材料复合：陶瓷材料与其他材料复合：例如：电子管中，陶瓷与金属封接等。例如：电子管中，陶瓷与金属封接等。要求：1、陶瓷与焊料结合能；2、与金属热膨胀系数接近。热膨胀性质的应用热膨胀性质的应用第31页，本讲稿共56页无机材料的热传导无机材料的热传导定义定义 在材料中热量由高温区域向低温区域传递的现象就称为热传导。其能力用热导率(Thermalconductivity）来衡量。第32页，本讲稿共56页无机材料的热传导无机材料的热传导热流密度：热流密度：单位时间，通过单位横截面积的热流量

16、。第33页，本讲稿共56页无机材料的热传导无机材料的热传导定义 即为导热系数，显然其物理含义是:单位温度梯度下，单位时间内通过 单位垂直面积的热量。稳定状态稳定状态下下第34页，本讲稿共56页固体材料热传导的微观机理固体材料热传导的微观机理思考思考：气气体体中中，可可由由分分子子的的自自由由运运动动而而传传热热；金金属属中中则则可可由由大大量量的的自自由由电电子子的的运运动动而而传传热热；在在无无机机非非金金属属材材料料中中，以以什什么么样样的的机机理传热？理传热？第35页，本讲稿共56页v 无机非金属材料中，主要是格波传热。无机非金属材料中，主要是格波传热。格波分声频支与光频支，它们在传热过

17、程中格波分声频支与光频支，它们在传热过程中所起的作用是不同的。所起的作用是不同的。固体材料热传导的微观机理固体材料热传导的微观机理第36页，本讲稿共56页微观机理微观机理声子和声子导热声子和声子导热v格波的传播看成是质点格波的传播看成是质点-声子的运动；声子的运动；v格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞；撞；v格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为 声子同晶体质点的碰撞；声子同晶体质点的碰撞；v理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。v晶体中，热传导的实质

18、就是碰撞。晶体中，热传导的实质就是碰撞。声频波的量子光频波的量子光子光子声子声子第37页，本讲稿共56页微观机理微观机理固体热能传递固体热能传递固体热能传递：声子固体热能传递：声子固体热能传递：声子固体热能传递：声子+电子电子电子电子=1+e1：声子热导率：声子热导率e：电子热导率：电子热导率第38页，本讲稿共56页微观机理微观机理固体热能传递固体热能传递e 1 e：20400 W/m.K;导热、导电主要载流子均为电子。导热、导电主要载流子均为电子。魏德曼魏德曼费兰兹定律：费兰兹定律：1.高纯金属热导率：高纯金属热导率：L：洛伦兹常数：洛伦兹常数第39页，本讲稿共56页微观机理微观机理固体热能

19、传递固体热能传递2.非金属热导率：非金属热导率：1 e 声子导热为主。传递过程中格波易受晶格散射，声子导热为主。传递过程中格波易受晶格散射，传递效率远低于金属：陶瓷、高聚物为热的不良导传递效率远低于金属：陶瓷、高聚物为热的不良导体。体。一般：陶瓷：一般：陶瓷：250 W/m.K 高聚物：高聚物：0.3 W/m.K 无定形陶瓷、玻璃无定形陶瓷、玻璃 结晶陶瓷结晶陶瓷第40页，本讲稿共56页影响导热导率的因素影响导热导率的因素1.1.温度的影响温度的影响2.2.显微结构的影响显微结构的影响 3.3.化学组成的影响化学组成的影响 4.4.气孔的影响气孔的影响第41页，本讲稿共56页无机材料的热稳定性

20、无机材料的热稳定性 热稳定性（抗热振性）：热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。能力。由于温度变化而引起的应力称为热应力。由于温度变化而引起的应力称为热应力。抗热冲击断裂性抗热冲击断裂性 它是指在非正常热传导的急冷或急热的情况下，它是指在非正常热传导的急冷或急热的情况下，物体内温度梯度和冲击热应力促使材料失去延性而产物体内温度梯度和冲击热应力促使材料失去延性而产生脆性破坏。生脆性破坏。相应的抵抗能力称为相应的抵抗能力称为。抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性 热损伤可导致材料的表面开裂、剥落并不断热损伤可导致材料的表面开裂、

21、剥落并不断发展，最终碎裂或变质发展，最终碎裂或变质。相应的抵抗能力称为。相应的抵抗能力称为。第42页，本讲稿共56页热稳定性的表示方法热稳定性的表示方法 1.一定规格的试样，加热到一定温度，然后立一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度的前一次加热温度0C表示。（日用瓷）表示。（日用瓷）2.试样的一端加热到某一温度，并保温一定时试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一

22、间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重复这样的操作，直至试样失重定时间，重复这样的操作，直至试样失重20%为为止，以其操作次数止，以其操作次数n表示。表示。第43页，本讲稿共56页 耐火材料耐火材料：1123K；40min；283293K；3min（流水）或（流水）或510min（空气）（空气）3.试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。第44页，本讲稿共56页l 构件的热膨胀或收缩受到约束时造成应构件的热膨胀或收缩受到约束时

23、造成应力力;l 相连接的两个构件存在温度差，构件间相连接的两个构件存在温度差，构件间相互约束造成热应力相互约束造成热应力;l 构件存在温度梯度，其间各部分相互约构件存在温度梯度，其间各部分相互约束，钢化玻璃束，钢化玻璃;l 不同材料的组合和约束造成热应力。不同材料的组合和约束造成热应力。热应力的产生热应力的产生第45页，本讲稿共56页热应力的产生热应力的产生L LT T0 0L LT TL LT T L LL LT T0 0 T T=第46页，本讲稿共56页热应力的计算热应力的计算薄板的热应力图薄板的热应力图第47页，本讲稿共56页热应力的计算热应力的计算解得：()T1EzxDm-a=s=s0

24、=D D-+-=TEEEzyxxa as ss sm ms se e0=D D-+-=TEEEzxyya as ss sm ms se eTEEExyzzD D-+-=a as ss sm ms se e第48页，本讲稿共56页热应力的计算热应力的计算当当t=0t=0时时，若它恰好达到材料强度，则会出若它恰好达到材料强度，则会出现开裂破坏，求得：现开裂破坏，求得：对于非薄板材料对于非薄板材料：maxsss=zx()am-s=DE1Tcmax()amsESTc-=D1max第49页，本讲稿共56页抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能第一热应力抵抗因子第一热应力抵抗因子 只要材料中最大热应力值只要材料

25、中最大热应力值 maxmax不超过材料的不超过材料的强度极限强度极限 c c，材料就不会破坏。显然，材料就不会破坏。显然，TTmaxmax越大，则材料的热稳定性越好。越大，则材料的热稳定性越好。定义定义：为为第一热应力断裂抵抗因子第一热应力断裂抵抗因子()。()E1Rcam-s=第50页，本讲稿共56页抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能材料是否出现断裂，还要考虑如下因素材料是否出现断裂，还要考虑如下因素:l材料中的应力分布材料中的应力分布l产生的速率和持续时间产生的速率和持续时间l材料的特性材料的特性(如塑性、均匀性、如塑性、均匀性、驰豫性驰豫性)l原先存在的裂纹、缺陷原先存在的裂纹、缺陷第51

26、页，本讲稿共56页抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般有如下规律有如下规律:热导率越高，传热越快，有利于热稳定热导率越高，传热越快，有利于热稳定;传热途径传热途径(通道通道)短，易使材料中的温度均匀短，易使材料中的温度均匀;表面散热速率。该速率大，内外温差就大，表面散热速率。该速率大，内外温差就大，热应力就高，热应力就高，就越不利于热稳定性就越不利于热稳定性。表面热传递系数表面热传递系数h h材料表面温度比周围环境温度高材料表面温度比周围环

27、境温度高1 1K K时在单位面积单位时间带走的热量时在单位面积单位时间带走的热量。第52页，本讲稿共56页抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能定义：定义：=h rm，式中式中:毕奥模数毕奥模数;h表面热传导系数表面热传导系数;rm材料的半厚。材料的半厚。在材料的实际应用中，由于散热，使在材料的实际应用中，由于散热，使max滞滞后发生，且数值也大为折减。后发生，且数值也大为折减。第53页，本讲稿共56页第二热应力抵抗因子第二热应力抵抗因子抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能第二热应力断裂第二热应力断裂抵抗因子抵抗因子J/(cms)第54页，本讲稿共56页抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能第三热应力抵抗因子第三热应力抵抗因子第三热应力因子第三热应力因子()apcpRcREcR=-=ramsrl1R 第55页，本讲稿共56页提高抗热冲击断裂性能的措施提高抗热冲击断裂性能的措施1.1.提提高高应应力力强强度度，减减小小弹弹性性模模量量E E 2.2.提提高高材材料料的的热热导导率率，使使RR提提高高 3.3.减小材料的膨胀系数减小材料的膨胀系数 4.4.减少材料表面热传递系数减少材料表面热传递系数h h 5.5.减小产品的有效厚度减小产品的有效厚度第56页，本讲稿共56页