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1、材料性能学,付华石家庄铁道大学,1,材料性能学付华1,第12章 材料的热学性能12.1晶体的点阵振动12.2 热容12.3 热膨胀12.4 热传导12.5 热稳定性第13章 材料的磁学性能第14章 材料的电学性能第15章 材料的光学性能,第二部分 材料的物理性能,2,第12章 材料的热学性能第二部分 材料的物理性能2,12.4 热传导,热传导：热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式。,12.4.1 基本概念,空气、羊毛/羽毛/毛皮/棉花/石棉/软木等松软物质。,瓷/木头/竹子/皮革，玻璃、混凝土等。,金属：良导体。银铜铝。,导热能力,3,12.4 热传导热传导：热从物体温度较
2、高的一部分沿着物体传到,傅里叶(Fourier)定律：,单位梯度温度下，单位时间内通过材料单位垂直面积的热量。,单位: J(msK)，W/ (mK)，W/m。,热（能）流密度q ：,热导率(导热系数):,4,傅里叶(Fourier)定律： 单位梯度温度下，单位时间内通,晶格振动 （格波）,12.4.2 微观机理,气体：,声子热导： 声频支较低温度；光子热导： 光频支高温时。,固体：,分子碰撞传热；,自由电子,5,晶格振动12.4.2 微观机理气体：声子热导：固体：分子碰,高温处：质点热振动强烈,晶格振动（格波）的热传导机理:,质点间相互作用，振动较弱的质点在振动较强的质点影响下，振动加剧，能量
3、增加；热量，从高温向低温传递 热传导现象。,低温处：质点热振动较弱；,热传导微观机理,6,高温处：晶格振动（格波）的热传导机理:质点间相互作用，振动较,新声子的动量方向和原两个声子的方向一致，热阻小。,（1） 声子的碰撞过程,碰撞后，方向反转，热阻较大。,1. 声子热传导,热阻： 声子扩散过程中的各种散射。,7,新声子的动量方向和原两个声子的方向一致，热阻小。（1）,（2） 点缺陷的散射,（4） 晶界散射,（3） 位错的散射,热阻： 声子扩散过程中的各种散射。,8,（2） 点缺陷的散射（4） 晶界散射（3） 位错,固体中分子、原子和电子的振动/转动，辐射出频率较高的电磁波（光子）。,波长0.4
4、-40m的可见光和近红外光,具有较强的热效应，称为热射线，其传递过程-热辐射。,2. 光子热导(高温时),发生光的散射/衍射/吸收/反射/折射。,光子在介质中的传播过程-光子导热过程。,辐射与吸收：,高温：辐射吸收,低温：辐射吸收,9,固体中分子、原子和电子的振动/转动，波长0.4-40m的可,对辐射线透明的介质，热阻小。单晶、玻璃，在773-1273K辐射传热很明显；,光子热导的热阻：材料的光学性质,对辐射线不透明的介质，热阻大。大多数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下 辐射明显；完全不透明的介质， 辐射传热可以忽略。,10,对辐射线透明的介质，热阻小。光子热导的热阻：材料的光学性质对,金
5、属：大量自由电子。,3. 电子热导,纯金属：主要热传导机理。,合金：杂质原子散射。热传导机理：电子+声子。 e/ L30,11,金属：大量自由电子。3. 电子热导纯金属：主要热传导机理。,纯金属：电子热导。（导电）,合金/半导体/半金属：电子+声子,小结：各类材料的热传导机理,绝缘体：声子,高分子材料：分子间的声子热传导。,无机非金属材料：主要为声子热导。,热导率和电导率都很低，通常用作绝热材料。,12,纯金属：电子热导。（导电）合金/半导体/半金属：电子+声子小,1. 温度,12.4.3 影响热导率的因素,晶体材料：一般地，在常用温度范围内， 热导率随温度的上升而下降。,温度很高：光子辐射，
6、增大。,热导率与温度T成反比下降；,温度很低：(热容)热导率T3；,13,1. 温度12.4.3 影响热导率的因素晶体材料：一般地,14,14,15,15,2. 结构的影响,晶体结构越复杂， 晶格振动偏离非线性越大，热导率越低。,晶向不同，热传导系数不同。如：石墨、BN为层状结构， 层内比层间的大4倍， 在空间技术中用于屏蔽材料。,16,2. 结构的影响晶体结构越复杂，晶向不同，热传导系数不同,晶界多、缺陷多，对声子散射大。,2 结构的影响,同一种物质： 多晶体的热导率总比单晶小。,17,晶界多、缺陷多，2 结构的影响同一种物质：17,多晶体热导率比单晶小。,18,多晶体热导率18,无机非金属
7、材料,非晶体;含气孔的不密实材料;,气孔导热占一定比例，随温度的上升，热导率略有增大。,19,无机非金属材料非晶体;气孔导热占一定比例，随温度的上升，19,非晶体的热导率：,非晶体的声子热导率在各温度下都比晶体小； 两者在高温下比较接近； 重大区别：晶体有一峰值。,20,非晶体的热导率：0,线性简谐振动几乎无热阻; 非线性振动热阻大; 晶格偏离谐振程度越大，热阻越大。,物质组分原子量之差越小，质点的原子量越小，密度越小，德拜温度越大；（轻元素、结合能大）,热导率越大,3. 成分的影响,21,线性简谐振动几乎无热阻;物质组分原子量之差越小，,单质具有较大的导热系数; 金刚石的热导率比任何其他材料
8、都大，常用于固体器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能输出大功率。,较低原子量的正离子 形成的氧化物和碳化物 具有较高的热传导系数， 如: BeO,SiC.,22,单质具有较大的导热系数; 较低原子量的正离子22,杂质的影响显著。,化学组成复杂的固体热导率小。,23,杂质的影响显著。化学组成复杂的固体热导率小。23,(4)复合材料的热导率,两相：连续相（基体）(c)和分散相(d)：,Vd为分散相的体积分数 。,陶瓷:晶粒分散相，晶界(玻璃相)连续相， 可由上式计算热导率。,24,(4)复合材料的热导率 两相：连续相（基体）(c)和分散相,气孔热导率0，气孔率大热导率小。,P为气孔的体积分
9、数。,(5) 气孔,高温、大气孔：气孔内气体流动.,25,气孔热导率0，P为气孔的体积分数。(5) 气孔 高温、大,12.4.4 材料热传导性能的应用,高导热材料：器皿，器件 ，温度传感器 。绝热保温材料：建筑墙体 ：多层、颗粒复合、泡沫、多孔、中空结构。,26,12.4.4 材料热传导性能的应用高导热材料：26,热应力：高温下，未改变外力作用状态时， 仅因热冲击而在材料内部产生的内应力。,多相复合材料：各相膨胀或收缩的相互牵制；,各相同性材料：温度梯度。,12.5 热稳定性,热稳定性（thermal stability）， 又称为抗热震性，热抗震性；材料承受温度 瞬变 而不破坏的能力。,27
10、,热应力：高温下，未改变外力作用状态时，多相复合材料：各相同性,热稳定性有2种类型：,热震断裂 （热应力断裂）：热冲击+瞬时断裂；,热（应力）损伤：热冲击+循环；开裂、剥落、 碎裂、变质。,机械外力+热应力+温度：力学性能+热学性能；,热弹性理论：断裂力学理论；,28,热稳定性有2种类型：热震断裂热（应力）损伤：机械外力+热应力,1. 材料的热应力断裂(热震断裂),急剧受热和冷却：第一抗热应力断裂因子R1（R)：,：热膨胀系数,R1越大，材料能承受的温度变化越大， 热稳定性越好,Tc：热震断裂的 临界温度 。,29,1. 材料的热应力断裂(热震断裂)急剧受热和冷却：热膨胀,慢速受热和冷却：第二
11、抗热应力断裂因子R2 （R) ：,：热导率,1. 材料的热应力断裂(热震断裂),材料的热导率越大，传热越快， 散热越好，热稳定性越高。,A：常数（构件形状/热处理条件）,30,慢速受热和冷却：热导率 1. 材料的热应力断裂(热震断裂,恒定速率加热或冷却：第三抗热应力断裂因子R3 （R),:密度(kg/m3)，Cp：定压热容。,R3越大，则允许的最大冷却速率越大， 热稳定性就越好。,1. 材料的热应力断裂(热震断裂),31,恒定速率加热或冷却：:密度(kg/m3)，Cp：定压热容。,2. 材料的热应力损伤(热损伤）,断裂力学观点:应变能-断裂能；当弹性应变能小或断裂表面能大时， 裂纹不易扩展，热
12、稳定性好抗热损伤性：正比于断裂表面能， 反比于弹性应变能释放率。,瞬时不断裂：微孔材料、非均质金属陶瓷;陶瓷：微裂纹+气孔；微裂纹被微孔/晶界等钉扎。,考虑问题的出发点:阻止微裂纹的扩展。,32,2. 材料的热应力损伤(热损伤）断裂力学观点:应变能-断裂能,2. 材料的热应力损伤(热损伤）,第四抗热应力损伤因子R4 弹性应变能释放率的倒数。,第五抗热应力损伤因子R5 弹性应变能+断裂表面能。,33,2. 材料的热应力损伤(热损伤）第四抗热应力损伤因子R4 第,3. 抗热震断裂，抗热损伤 对材料性能的要求相反；,抗热损伤：高E/KIc；低f；阻止裂纹扩展， 疏松材料,抗热震断裂：高强度f/ 低E
13、阻止裂纹萌生/致密材料,耐火砖(气孔),抗热冲击损伤性,强度，热导率， R1,R2。,34,3. 抗热震断裂，抗热损伤,4. 实际材料的热稳定性,高分子材料：热稳定性较差。一般200；新开发在300-400；,金属材料：热稳定性较好。一般强度和热导率较大，熔点高。无机非金属材料：一般强度和弹性模量都大，热导率中等，易产生热应力断裂；熔点一般都很高，不易熔化或分解，允许的使用温度很宽，热稳定性较好,35,4. 实际材料的热稳定性 高分子材料：热稳定性较差。金属材料,5.影响抗热震的主要因素,材料特性：热膨胀系数、导热系数、 弹性模量E、材料固有强度f 、断裂韧性KIc等。越小，温度应力小，抗热震
14、性越好；大，温差越小，热应力越小，抗热震性好；f 越高，承受热应力越大，抗热震性好；E 越小通过弹性变形，释放热应力， 抗热震性越好。,36,5.影响抗热震的主要因素 材料特性：热膨胀系数、导热系数,组织结构和试样几何形状。,5.影响抗热震的主要因素,陶瓷： 组织疏松 + 一定气孔率 + 适当的微裂纹提高断裂能，抗热冲击。形状相对简单、外形均匀构件：抗热震性好。,综合考虑：热容、热膨胀、 热传导、热稳定性、强度 等。,37,组织结构和试样几何形状。5.影响抗热震的主要因素 陶瓷：综合,6.抗热震性能的表述或测试,最大温差：试样表面 开裂。,材料升至不同的温度后，淬冷（风冷或水冷）,强度保持率：规定次数后，试样残余抗弯强度与常温抗弯强度的比值。,淬冷次数：反复测试直至材料产生宏观裂纹的次数。,38,6.抗热震性能的表述或测试 最大温差：试样表面材料升至不同的,谢 谢！,39,谢 谢！39,
