材料的熱傳導與熱穩(wěn)定性課件

材料的熱傳導與熱穩(wěn)定性基本概念：熱傳導(熱能工程、制冷技術(shù)、燃汽輪機葉片散熱）熱導率（λ）-熱阻率ω=1/λ熱擴散率（α）基本規(guī)律：傅立葉（Fourier）定律：魏德曼-弗蘭茲定律：材料的熱傳導與熱穩(wěn)定性基本概念：基本規(guī)律：1材料的熱傳導熱導率λ(ThermalConductivity）：（1）穩(wěn)定傳熱過程:定義傅立葉（Fourier）定律：熱傳導:材料中熱量由高溫向低溫區(qū)域傳遞的現(xiàn)象。單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量。λ導熱能力。材料的熱傳導熱導率λ（1）穩(wěn)定傳熱過程:定義傅立葉（Four2常溫下不同材料的熱導率λ鋁：205；銅：385；銀：414；鋼：46；冰：1.674；混泥土：0.837；玻璃：0.837；木材：0.084；氫氣：0.138；氧氣：0.0234；空氣：0.024.常溫下不同材料的熱導率λ鋁：205；銅：385；銀：414；3材料的熱傳導對于一個外界無熱交換，本身又存在溫度梯度的物體，單位面積上的溫度隨時間的變化率為:定義熱擴散率：（1）不穩(wěn)定傳熱過程:導熱能力：λ儲熱能力：Cv熱擴散率：α魏德曼-弗蘭茲定律：許多金屬的熱導率與電導率之比與溫度成正比：λ/σ=LT材料的熱傳導對于一個外界無熱交換，本身又存在溫度定義熱擴散率4固體材料熱傳導的微觀機理固體導熱：電子導熱，聲子導熱和光子導熱。金屬：主要是電子導熱為主，合金/半導體：電子/聲子導熱，絕緣體：聲子導熱熱傳導過程：材料內(nèi)部的能量傳輸過程能量的載體：電子（德布羅意波）聲子（格波）：聲頻波的量子光子（電磁波）固體材料熱傳導的微觀機理固體導熱：電子導熱，聲子導熱和光子導5熱傳導的物理機制聲子熱傳導：聲子從高濃度到低濃度區(qū)域的擴散過程。熱阻：

聲子擴散過程中的各種散射。熱傳導系數(shù)λ：其中，c：聲子比熱容；v：聲子傳播速度；l：聲子平均自由程。熱傳導的物理機制聲子熱傳導：聲子從高濃度到低濃度區(qū)域的擴散過6聲子和聲子導熱微觀機理格波的傳播看成是質(zhì)點-聲子的運動；格波與物質(zhì)的相互作用，則理解為聲子和物質(zhì)的碰撞；格波在晶體中傳播時遇到的散射，則理解為聲子同晶體質(zhì)點的碰撞；理想晶體中的熱阻，則理解為聲子與聲子的碰撞。晶體中，熱傳導的實質(zhì)就是碰撞。

聲子和聲子導熱微觀機理格波的傳播看成是質(zhì)點7光子的導熱：光子在介質(zhì)中的傳播過程（光的散射、衍射、吸收、反射和折射）熱輻射：熱射線的傳遞過程（可見光與部分近紅外光的區(qū)域）光子和光子導熱

微觀機理光子的導熱：光子在介質(zhì)中的傳播過程熱輻射：熱射線的傳遞過8影響熱導率的因素溫度的影響顯微結(jié)構(gòu)的影響化學組成的影響氣孔的影響影響熱導率的因素溫度的影響9溫度的影響

溫度較低時，主要是聲子傳導自由程則有隨溫度的升高而迅速降低的特點高溫時,λ則迅速降低，在40K附近，出現(xiàn)極大值。當達到1600K時，由于輻射傳熱，λ又有所升高

熱導率隨溫度的變化溫度的影響溫度較低時，主要是聲子傳導熱導率隨溫度10顯微結(jié)構(gòu)的影響幾種不同晶型的無機材料熱導率與溫度的關(guān)系顯微結(jié)構(gòu)的影響幾種不同晶型的無機材料熱導率與溫度的關(guān)系11顯微結(jié)構(gòu)的影響晶體和非晶體材料的導熱系數(shù)曲線顯微結(jié)構(gòu)的影響晶體和非晶體材料的導熱系數(shù)曲線12化學組成的影響MgO-NiO的固溶體的熱導率化學組成的影響MgO-NiO的固溶體的熱導率13導熱系數(shù)測量方法及儀器穩(wěn)態(tài)方法:1.熱流法導熱儀：2.保護熱流法導熱儀：3.保護熱板法導熱儀：動態(tài)（瞬時）測量法熱線法：激光閃射法：導熱系數(shù)測量方法及儀器穩(wěn)態(tài)方法:14熱流法測量原理NETZSCHHFM436Lambda熱流法導熱儀，適用于絕熱材料。熱流法測量原理NETZSCHHFM436Lambda熱15保護熱流法導熱儀：保護熱流法導熱儀保護熱板法導熱儀:保護熱板法導熱儀保護熱流法導熱儀：保護熱流法導熱儀保護熱板法導熱儀:保護熱板16動態(tài)（瞬時）測量法NETZSCHLFA447激光導熱儀動態(tài)（瞬時）測量法NETZSCHLFA447激光導熱儀17材料的熱穩(wěn)定性抗熱沖擊斷裂性：材料發(fā)生瞬時斷裂；抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表面開裂、剝落、并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。

熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。熱沖擊損壞的類型：材料的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（18熱穩(wěn)定性的表示方法1.一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于室溫的流動水中急冷，并逐次提高溫度和重復(fù)急冷，直至觀察到試樣發(fā)生龜裂，則以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度℃表示。（日用瓷）2.試樣的一端加熱到某一溫度，并保溫一定時間，然后置于一定溫度的流動水中或在空氣中一定時間，重復(fù)這樣的操作，直至試樣失重20%為止，以其操作次數(shù)n表示。耐火材料：1123K；40min；283－293K；3(5－!0)min3.試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測其抗折強度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標。（高溫結(jié)構(gòu)材料）。熱穩(wěn)定性的表示方法1.一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，19熱應(yīng)力的產(chǎn)生熱應(yīng)力：由于溫度變化而引起的應(yīng)力在復(fù)合體中，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)之間或結(jié)晶學方向有大的差別，形成應(yīng)力，如果該應(yīng)力過大，就可以在復(fù)合體中引起微裂紋。在材料中存在微裂紋，測出的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象------膨脹系數(shù)低于單晶的膨脹系數(shù)。例如：在一些TiO2組成物中，有此現(xiàn)象。熱應(yīng)力的產(chǎn)生熱應(yīng)力：由于溫度變化而引起的應(yīng)力在復(fù)合體中，由于2004008001200溫度（0C）0.80.60.40.20.0膨脹（%）由于存在顯微裂紋而引起的多晶的熱膨脹滯后現(xiàn)象1.熱應(yīng)力的產(chǎn)生（1）熱膨脹或收縮引起的熱應(yīng)力當物體固定在支座之間，或固定在不同膨脹系數(shù)的材料上，膨脹受到約束時，在物體內(nèi)就形成應(yīng)力------（顯微應(yīng)力）。04008001221淬火鋼的回火I:80~160℃：體積收縮，ε相碳化物析出，馬氏體正方度下降。II:230~280℃：體積膨脹，殘奧分解。III:260~360℃：體積收縮，馬氏體分解為鐵素體和碳化鐵。535℃回火：200℃出現(xiàn)拐折，表明回火鋼轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體（弱鐵磁相）。淬火鋼的回火I:80~160℃：體積收縮，ε相碳22抗熱沖擊斷裂性能熱應(yīng)力引起的斷裂破壞，還要涉及散熱問題，因為這一個問題可緩解材料中的熱應(yīng)力，一般有如下規(guī)律:熱導率越高，傳熱越快，有利于熱穩(wěn)定;傳熱途徑(通道)短，易使材料中的溫度均勻;表面散熱速率。該速率大，內(nèi)外溫差就大，熱應(yīng)力就高，就越不利于熱穩(wěn)定性。表面熱傳遞系數(shù)h—材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度高1K時在單位面積單位時間帶走的熱量?？篃釠_擊斷裂性能熱應(yīng)力引起的斷裂破壞，還要涉及散熱問題，因為23提高抗熱沖擊斷裂性能的措施提高應(yīng)力強度σ，減小彈性模量E提高材料的熱導率減小材料的膨脹系數(shù)減少材料表面熱傳遞系數(shù)減小產(chǎn)品的有效厚度提高抗熱沖擊斷裂性能的措施提高應(yīng)力強度σ，減小彈性模量E24材料的熱傳導與熱穩(wěn)定性基本概念：熱傳導(熱能工程、制冷技術(shù)、燃汽輪機葉片散熱）熱導率（λ）-熱阻率ω=1/λ熱擴散率（α）基本規(guī)律：傅立葉（Fourier）定律：魏德曼-弗蘭茲定律：材料的熱傳導與熱穩(wěn)定性基本概念：基本規(guī)律：25材料的熱傳導熱導率λ(ThermalConductivity）：（1）穩(wěn)定傳熱過程:定義傅立葉（Fourier）定律：熱傳導:材料中熱量由高溫向低溫區(qū)域傳遞的現(xiàn)象。單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量。λ導熱能力。材料的熱傳導熱導率λ（1）穩(wěn)定傳熱過程:定義傅立葉（Four26常溫下不同材料的熱導率λ鋁：205；銅：385；銀：414；鋼：46；冰：1.674；混泥土：0.837；玻璃：0.837；木材：0.084；氫氣：0.138；氧氣：0.0234；空氣：0.024.常溫下不同材料的熱導率λ鋁：205；銅：385；銀：414；27材料的熱傳導對于一個外界無熱交換，本身又存在溫度梯度的物體，單位面積上的溫度隨時間的變化率為:定義熱擴散率：（1）不穩(wěn)定傳熱過程:導熱能力：λ儲熱能力：Cv熱擴散率：α魏德曼-弗蘭茲定律：許多金屬的熱導率與電導率之比與溫度成正比：λ/σ=LT材料的熱傳導對于一個外界無熱交換，本身又存在溫度定義熱擴散率28固體材料熱傳導的微觀機理固體導熱：電子導熱，聲子導熱和光子導熱。金屬：主要是電子導熱為主，合金/半導體：電子/聲子導熱，絕緣體：聲子導熱熱傳導過程：材料內(nèi)部的能量傳輸過程能量的載體：電子（德布羅意波）聲子（格波）：聲頻波的量子光子（電磁波）固體材料熱傳導的微觀機理固體導熱：電子導熱，聲子導熱和光子導29熱傳導的物理機制聲子熱傳導：聲子從高濃度到低濃度區(qū)域的擴散過程。熱阻：

聲子擴散過程中的各種散射。熱傳導系數(shù)λ：其中，c：聲子比熱容；v：聲子傳播速度；l：聲子平均自由程。熱傳導的物理機制聲子熱傳導：聲子從高濃度到低濃度區(qū)域的擴散過30聲子和聲子導熱微觀機理格波的傳播看成是質(zhì)點-聲子的運動；格波與物質(zhì)的相互作用，則理解為聲子和物質(zhì)的碰撞；格波在晶體中傳播時遇到的散射，則理解為聲子同晶體質(zhì)點的碰撞；理想晶體中的熱阻，則理解為聲子與聲子的碰撞。晶體中，熱傳導的實質(zhì)就是碰撞。

聲子和聲子導熱微觀機理格波的傳播看成是質(zhì)點31光子的導熱：光子在介質(zhì)中的傳播過程（光的散射、衍射、吸收、反射和折射）熱輻射：熱射線的傳遞過程（可見光與部分近紅外光的區(qū)域）光子和光子導熱

微觀機理光子的導熱：光子在介質(zhì)中的傳播過程熱輻射：熱射線的傳遞過32影響熱導率的因素溫度的影響顯微結(jié)構(gòu)的影響化學組成的影響氣孔的影響影響熱導率的因素溫度的影響33溫度的影響

溫度較低時，主要是聲子傳導自由程則有隨溫度的升高而迅速降低的特點高溫時,λ則迅速降低，在40K附近，出現(xiàn)極大值。當達到1600K時，由于輻射傳熱，λ又有所升高

熱導率隨溫度的變化溫度的影響溫度較低時，主要是聲子傳導熱導率隨溫度34顯微結(jié)構(gòu)的影響幾種不同晶型的無機材料熱導率與溫度的關(guān)系顯微結(jié)構(gòu)的影響幾種不同晶型的無機材料熱導率與溫度的關(guān)系35顯微結(jié)構(gòu)的影響晶體和非晶體材料的導熱系數(shù)曲線顯微結(jié)構(gòu)的影響晶體和非晶體材料的導熱系數(shù)曲線36化學組成的影響MgO-NiO的固溶體的熱導率化學組成的影響MgO-NiO的固溶體的熱導率37導熱系數(shù)測量方法及儀器穩(wěn)態(tài)方法:1.熱流法導熱儀：2.保護熱流法導熱儀：3.保護熱板法導熱儀：動態(tài)（瞬時）測量法熱線法：激光閃射法：導熱系數(shù)測量方法及儀器穩(wěn)態(tài)方法:38熱流法測量原理NETZSCHHFM436Lambda熱流法導熱儀，適用于絕熱材料。熱流法測量原理NETZSCHHFM436Lambda熱39保護熱流法導熱儀：保護熱流法導熱儀保護熱板法導熱儀:保護熱板法導熱儀保護熱流法導熱儀：保護熱流法導熱儀保護熱板法導熱儀:保護熱板40動態(tài)（瞬時）測量法NETZSCHLFA447激光導熱儀動態(tài)（瞬時）測量法NETZSCHLFA447激光導熱儀41材料的熱穩(wěn)定性抗熱沖擊斷裂性：材料發(fā)生瞬時斷裂；抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表面開裂、剝落、并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。

熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。熱沖擊損壞的類型：材料的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（42熱穩(wěn)定性的表示方法1.一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于室溫的流動水中急冷，并逐次提高溫度和重復(fù)急冷，直至觀察到試樣發(fā)生龜裂，則以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度℃表示。（日用瓷）2.試樣的一端加熱到某一溫度，并保溫一定時間，然后置于一定溫度的流動水中或在空氣中一定時間，重復(fù)這樣的操作，直至試樣失重20%為止，以其操作次數(shù)n表示。耐火材料：1123K；40min；283－293K；3(5－!0)min3.試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測其抗折強度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標。（高溫結(jié)構(gòu)材料）。熱穩(wěn)定性的表示方法1.一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，43熱應(yīng)力的產(chǎn)生熱應(yīng)力：由于溫度變化而引起的應(yīng)力在復(fù)合體中，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)之間或結(jié)晶學方向有大的差別，形成應(yīng)力，如果該應(yīng)力過大，就可以在復(fù)合體中引起微裂紋。在材料中存在微裂紋，測出的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象------膨脹系數(shù)低于單晶的膨脹系數(shù)。例如：在一些TiO2組成物中，有此現(xiàn)象。熱應(yīng)力的產(chǎn)生熱應(yīng)力：由于溫度變化而引起的應(yīng)力在復(fù)合體中，由于4404008001200溫度（0C）0.80.60.40.20.0膨脹（%）