FH12材料的熱學(xué)性能-2

1、1材料性能學(xué)材料性能學(xué)付華付華石家莊鐵道大學(xué)石家莊鐵道大學(xué)2l第12章 材料的熱學(xué)性能l12.1晶體的點陣振動晶體的點陣振動l12.2 熱容l12.3 熱膨脹l12.4 熱傳導(dǎo)l12.5 熱穩(wěn)定性l第13章 材料的磁學(xué)性能l第14章 材料的電學(xué)性能l第15章 材料的光學(xué)性能第二部分第二部分 材料的物理性能材料的物理性能312.4 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)l熱傳導(dǎo)：熱從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式。12.4.1 基本概念基本概念l空氣、羊毛/羽毛/毛皮/棉花/石棉/軟木等松軟物質(zhì)。 l瓷/木頭/竹子/皮革，玻璃、混凝土等。l金屬：良導(dǎo)體。銀銅鋁。導(dǎo)熱能力4傅里葉(Fourier)定律

2、： l單位梯度溫度下，單位時間單位梯度溫度下，單位時間內(nèi)通過材料單位垂直面積的內(nèi)通過材料單位垂直面積的熱量。熱量。l單位單位: J(msK)，W/ (mK)，W/m。l熱（能）流密度q ：熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)):5l晶格振動 （格波） 12.4.2 微觀機理微觀機理l氣體：聲子聲子熱導(dǎo)： 聲頻支較低溫度；光子光子熱導(dǎo)： 光頻支高溫時。固體：分子碰撞傳熱；自由電子自由電子6高溫處：質(zhì)點熱振動質(zhì)點熱振動強烈l晶格振動（格波格波）的熱傳導(dǎo)機理的熱傳導(dǎo)機理:l質(zhì)點間相互作用，振動較弱的質(zhì)點在振動較強的質(zhì)點影響下，振動加劇，能量增加；l熱量，從高溫向低溫傳遞 熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。低溫處：質(zhì)點熱振動質(zhì)點

3、熱振動較弱；熱傳導(dǎo)微觀機理熱傳導(dǎo)微觀機理7新聲子的動量新聲子的動量方向和原兩個聲方向和原兩個聲子的子的方向一致方向一致，熱阻小熱阻小。（1） 聲子的碰撞過程聲子的碰撞過程碰撞后，碰撞后，方向反轉(zhuǎn)方向反轉(zhuǎn)，熱阻較大熱阻較大。1. 聲子熱傳導(dǎo)聲子熱傳導(dǎo)熱阻：熱阻： 聲子擴散過程中的各種散射。聲子擴散過程中的各種散射。8（2） 點缺陷的散射點缺陷的散射（4） 晶界散射晶界散射（3） 位錯的散射位錯的散射熱阻：熱阻： 聲子擴散過程中的各種散射。聲子擴散過程中的各種散射。9固體中分子、原子和電子的振動固體中分子、原子和電子的振動/轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動，輻射出頻率較高的輻射出頻率較高的電磁波（光子）。電磁波（光子）

4、。波長0.4-40m的可見光可見光和近紅外光近紅外光,具有較強的熱效應(yīng)，稱為熱射線熱射線，其傳遞過程-熱輻射。2. 光子熱導(dǎo)光子熱導(dǎo)(高溫時高溫時)發(fā)生光的散射發(fā)生光的散射/衍射衍射/吸收吸收/反射反射/折射。折射。光子在介質(zhì)中的傳播過程光子在介質(zhì)中的傳播過程-光子導(dǎo)熱光子導(dǎo)熱過程。過程。輻射與吸收：輻射與吸收： 高溫：高溫：輻射輻射吸收吸收 低溫：低溫：輻射輻射吸收吸收10l對輻射線透明的介質(zhì)，熱阻小。對輻射線透明的介質(zhì)，熱阻小。l單晶、玻璃單晶、玻璃，在，在773-1273K輻射傳熱很明顯；輻射傳熱很明顯；光子熱導(dǎo)的熱阻：材料的光學(xué)性質(zhì)光子熱導(dǎo)的熱阻：材料的光學(xué)性質(zhì)l對輻射線不透明的介質(zhì)，

5、熱阻大。對輻射線不透明的介質(zhì)，熱阻大。l大多數(shù)大多數(shù)陶瓷陶瓷，一些耐火材料在，一些耐火材料在1773K高溫下高溫下 輻射明顯；輻射明顯；l完全不透明完全不透明的介質(zhì)，的介質(zhì)， 輻射傳熱可以忽略。輻射傳熱可以忽略。11l金屬：大量自由電子。金屬：大量自由電子。3. 電子熱導(dǎo)電子熱導(dǎo)l純金屬：純金屬：主要熱傳導(dǎo)機理。l合金：l雜質(zhì)原子散射。l熱傳導(dǎo)機理：電子+聲子。 e/ L30 12l純金屬：純金屬：電子熱導(dǎo)電子熱導(dǎo)。（導(dǎo)電）l合金/半導(dǎo)體/半金屬：電子電子+ +聲子聲子小結(jié)：各類材料的熱傳導(dǎo)機理小結(jié)：各類材料的熱傳導(dǎo)機理l絕緣體：聲子聲子高分子材料：分子間的聲子熱傳導(dǎo)聲子熱傳導(dǎo)。無機非金屬材料

6、：主要為聲子熱導(dǎo)聲子熱導(dǎo)。l熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都很低，通常用作絕熱材料。131. 溫度溫度12.4.3 影響熱導(dǎo)率的因素影響熱導(dǎo)率的因素l晶體材料：一般地，在常用溫度范圍內(nèi)， 熱導(dǎo)率隨溫度的上升而下降。溫度很高：光子輻射，增大。熱導(dǎo)率與溫度T成反比下降；l溫度很低：(熱容)熱導(dǎo)率lT3；162. 結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)的影響Q晶體晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)越越復(fù)雜復(fù)雜， 晶格振動偏離非線性越大，晶格振動偏離非線性越大，熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率越低越低。Q晶向晶向不同，熱傳導(dǎo)系數(shù)不同。不同，熱傳導(dǎo)系數(shù)不同。l如：石墨、如：石墨、BN為層狀結(jié)構(gòu)，為層狀結(jié)構(gòu)， 層內(nèi)層內(nèi)比層間的比層間的大大4倍，倍， 在空間技術(shù)中用于屏蔽材料。在空間技術(shù)

7、中用于屏蔽材料。17晶界多、缺陷多，晶界多、缺陷多，對聲子散射大。對聲子散射大。2 結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)的影響Q同一種物質(zhì)：同一種物質(zhì)： 多晶體多晶體的的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率總比單晶總比單晶小小。Q多晶體熱導(dǎo)率多晶體熱導(dǎo)率比單晶小。比單晶小。19l無機非金屬材料l非晶體非晶體;l含含氣孔氣孔的不密實材料的不密實材料;l氣孔導(dǎo)熱氣孔導(dǎo)熱占一定比例，占一定比例，隨溫度的上升，隨溫度的上升，熱導(dǎo)率略有增大。熱導(dǎo)率略有增大。20非晶體的熱導(dǎo)率：非晶體的熱導(dǎo)率：0 T(K) 400600K 600900K 0 T(K) 非晶體非晶體 晶體與非晶體晶體與非晶體l 非晶體非晶體的聲子的聲子熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率在各溫度下都在各溫度

8、下都比晶體小比晶體?。籰 兩者在兩者在高溫高溫下比較下比較接近接近；l 重大區(qū)別：重大區(qū)別：晶體有一峰值晶體有一峰值。 21 線性簡諧振動線性簡諧振動幾乎無熱阻幾乎無熱阻; 非線性振動非線性振動熱阻大熱阻大; 晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。 物質(zhì)組分物質(zhì)組分原子量之差原子量之差越小，越小，質(zhì)點的質(zhì)點的原子量原子量越小，越小，密度密度越小，越小，德拜溫度德拜溫度越大；越大；（輕元素、結(jié)合能大）（輕元素、結(jié)合能大）熱導(dǎo)率越大熱導(dǎo)率越大3. 3. 成分的影響成分的影響22 單質(zhì)單質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù); 金剛石金剛石的熱導(dǎo)率比任何其他的熱導(dǎo)率比任何其

9、他材料都大，常用于固體器件的材料都大，常用于固體器件的基片?；＠?；例如；GaAs激光器做在上面，激光器做在上面，能輸出大功率。能輸出大功率。 較較低原子量低原子量的正離子的正離子 形成的氧化物和碳化物形成的氧化物和碳化物 具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)， 如如: BeO,SiC. 23 雜質(zhì)雜質(zhì)的影響顯著。的影響顯著?；瘜W(xué)化學(xué)組成復(fù)雜組成復(fù)雜的固體的固體熱導(dǎo)率小熱導(dǎo)率小。24(4)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率 l兩相：連續(xù)相（基體）連續(xù)相（基體）(c)和分散相分散相(d)：lVd為分散相的體積分數(shù) 。l陶瓷:晶粒分散相，晶界(玻璃相)連續(xù)相， 可由上式計算熱導(dǎo)率。 25l氣孔熱導(dǎo)率氣孔熱

10、導(dǎo)率0，l氣孔率大熱導(dǎo)率小。 P為氣孔的體積分數(shù)。(5) 氣孔 u 高溫、大氣孔高溫、大氣孔：氣孔內(nèi)氣體流動. .2612.4.4 材料熱傳導(dǎo)性能的應(yīng)用材料熱傳導(dǎo)性能的應(yīng)用l高導(dǎo)熱材料：l器皿，器件器皿，器件 ，溫度傳感器，溫度傳感器 。l絕熱保溫材料：l建筑墻體建筑墻體 ：多層、顆粒復(fù)合、多層、顆粒復(fù)合、泡沫、多孔、泡沫、多孔、中空結(jié)構(gòu)。中空結(jié)構(gòu)。 27l熱應(yīng)力：高溫下，未改變外力作用狀態(tài)時， 僅因熱沖擊而在材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。l多相復(fù)合材料：l各相膨脹或收縮的相互牽制；l各相同性材料：l溫度梯度。 12.5 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性l熱穩(wěn)定性（thermal stability）， 又稱為抗熱震

11、性，熱抗震性；l材料承受溫度 瞬變瞬變 而不破壞的能力。28l熱穩(wěn)定性有2種種類型：熱震斷裂熱震斷裂 （熱應(yīng)力斷裂）：熱沖擊熱沖擊+瞬時斷裂；瞬時斷裂；熱（應(yīng)力）損傷熱（應(yīng)力）損傷：熱沖擊熱沖擊+循環(huán)；循環(huán)；開裂、剝落、 碎裂、變質(zhì)。J機械外力機械外力+熱應(yīng)力熱應(yīng)力+溫度溫度：J力學(xué)性能力學(xué)性能+熱學(xué)性能；熱學(xué)性能；熱彈性理論熱彈性理論：斷裂力學(xué)理論；斷裂力學(xué)理論；291. 材料的熱應(yīng)力斷裂(熱震斷裂熱震斷裂)l急劇急劇受熱和冷卻：受熱和冷卻：l第一抗熱應(yīng)力斷裂因子第一抗熱應(yīng)力斷裂因子R1（R)：熱膨脹熱膨脹系數(shù) ：泊松比 E：彈性模量 f：斷裂強度 R1越大，材料能承受的溫度變化越大，越大，

12、材料能承受的溫度變化越大， 熱穩(wěn)定性越好熱穩(wěn)定性越好Tc：熱震斷裂的熱震斷裂的 臨界溫度臨界溫度 。30l慢速慢速受熱和冷卻：受熱和冷卻：l第二抗熱應(yīng)力斷裂因子第二抗熱應(yīng)力斷裂因子R2 （R) ：熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 1. 材料的熱應(yīng)力斷裂(熱震斷裂熱震斷裂)l材料的熱導(dǎo)率材料的熱導(dǎo)率越大，傳熱越快，越大，傳熱越快， 散熱越好，熱穩(wěn)定性越高。散熱越好，熱穩(wěn)定性越高。A：常數(shù)（構(gòu)件形狀/熱處理條件）31l恒定速率恒定速率加熱或冷卻：l第三抗熱應(yīng)力斷裂因子R3 （R) :密度(kg/m3)，Cp：定壓熱容。 lR3越大，則允許的最大冷卻速率越大， 熱穩(wěn)定性就越好。1. 材料的熱應(yīng)力斷裂(熱震斷裂熱震斷裂)

13、322. 材料的熱應(yīng)力損傷(熱損傷）l斷裂力學(xué)觀點斷裂力學(xué)觀點:應(yīng)變能應(yīng)變能-斷裂能斷裂能；l當(dāng)當(dāng)彈性應(yīng)變能小彈性應(yīng)變能小或或斷裂表面能斷裂表面能大大時，時， 裂紋不易擴展，熱穩(wěn)定性好裂紋不易擴展，熱穩(wěn)定性好l抗熱損傷性：正比于斷裂表面能，抗熱損傷性：正比于斷裂表面能，l 反比于彈性應(yīng)變能釋放率。反比于彈性應(yīng)變能釋放率。瞬時不斷裂瞬時不斷裂：微孔材料、非均質(zhì)金屬陶瓷：微孔材料、非均質(zhì)金屬陶瓷;陶瓷：微裂紋陶瓷：微裂紋+氣孔；氣孔；微裂紋微裂紋被微孔被微孔/晶界等晶界等釘扎釘扎。F 考慮問題的出發(fā)點考慮問題的出發(fā)點:阻止微裂紋的擴展。阻止微裂紋的擴展。332. 材料的熱應(yīng)力損傷(熱損傷）l第四抗

14、熱應(yīng)力損傷因子R4 l彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)。 l第五抗熱應(yīng)力損傷因子R5 l彈性應(yīng)變能+斷裂表面能。34J3. 抗熱震斷裂，抗熱損傷 對材料性能的要求相反；l抗熱損傷：l高E/KIc；l低f；l阻止裂紋擴展， 疏松材料l抗熱震斷裂：l高強度f/ l低El阻止裂紋萌生/致密材料耐火磚耐火磚(氣孔氣孔)抗熱沖擊損傷性抗熱沖擊損傷性強度，強度，熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率， R1,R2。354. 實際材料的熱穩(wěn)定性 l高分子材料：熱穩(wěn)定性較差。l一般200；新開發(fā)在300-400；l金屬材料：熱穩(wěn)定性較好。l一般強度和熱導(dǎo)率較大，熔點高。l無機非金屬材料：l一般強度和彈性模量都大，熱導(dǎo)率中等，易產(chǎn)生熱應(yīng)力斷裂；l熔點一般都很高，不易熔化或分解，允許的使用溫度很寬，熱穩(wěn)定性較好365.影響抗熱震的主要因素 材料特性：熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、 彈性模量E、材料固有強度f 、斷裂韌性KIc等。l越小，溫度應(yīng)力小，抗熱震性越好；l大，溫差越小，熱應(yīng)力越小，抗熱震性好；lf 越高，承受熱應(yīng)力越大，抗熱震性好；lE 越小通過彈性變形，釋放熱應(yīng)力， 抗熱震性越好。37組織結(jié)構(gòu)和試樣幾何形狀。5.影響抗熱震