材料合成與制備第二章A

材料合成與制備

第二章材料的性能

2材料的性能2.0引言材料的性能泛指其力學性能、物理性能和化學性能。性能提供了材料的使用性。研究材料性能時通常將其分為三類:

力學性能(機械性能):包括強度、硬度、剛度、彈性、韌性、疲勞等。

物理性能:主要包括熱性能(熱容/比熱,熱傳導,熱輻射,耐熱(溫)性,抗熱震性等)、電性能(導電性,介電性,半導電性,超導電性,抗電性,壓電性,鐵電性,熱釋電性,電光性等)、磁性能(鐵磁性,順磁性,抗磁性、壓磁效應,旋磁效應等)、光性能(反射,折射,散射,衍射,色散,光吸收,顏色,發(fā)光,熒光,激光,光電,磁光,聲光等)、聲學性能(傳導,吸收,反射,散射等)等。

化學性能:化學穩(wěn)定性(在使用環(huán)境中組成及相的穩(wěn)定性、耐酸性、耐堿性、耐熔渣性、抗氧化還原性等)、化學活性、催化活性、生物相容性等。

研究性能的意義在于:(1)解析材料各種物理化學性能的本質,研究性能的描述(表征)、測量與評價、性能的實際應用等;(2)解析材料性能與其組成、結構、制造加工工藝以及使用環(huán)境等間的相互關系和規(guī)律,為在最優(yōu)條件下使用材料、高效利用材料的單項或組合性能提供科學依據(jù);(3)為新材料的研制、設計、加工和應用提供科學依據(jù);

2.1陶瓷材料的力學性能

力學性能是工程材料或結構材料的主要物理性質,是材料選擇與結構設計的基本依據(jù)。本節(jié)的主要討論與材料力學性能有關的基本術語、理論、試驗及評價方法。2.1.1彈性2.1.1.1應力與應變

(a)圖2.1拉伸形變(b)

l0/m

l/mPS0S應力與應變是衡量固體材料在外力作用下受力狀態(tài)與變形的尺度,對于受拉應力的棒(圖2.1):

應力:(N·m2)(2.1.1)

應變:(無因次)(2.1.2)

2.1.1.2應力應變曲線材料在應力σ作用下產(chǎn)生應變ε,作σ-ε圖即得應力-應變曲線(σ-ε曲線)。典型材料在拉伸應力作用下的σ-ε曲線如圖2.1.2所示:對于一般的金屬材料,σ-ε曲線如圖2.1.2中所b示.一般可分為四個階段:①彈性階段:相應于曲線OA段,σ-ε為線性關系,可用虎克定律(Hook’sLaw)描述:

(2.1.3)σa(脆性材料)

D

BCb(金屬)AC(橡膠)Oε圖2.1.2典型材料應力-應變曲線式中E稱為彈性模量或楊氏模量(Young’smodulus)。其物理意義是指材料產(chǎn)生單位應變所需的應力,反映了材料內部原子間結合力的大小,ISO單位為Nm-2(Pa,常用MPa),也反映了材料在應力作用下變形能力(彈性)的大小,也即表示了材料彈性的大小。對于剪切應力,則有:(2.1.4)式中G為剪切模量(shearmodulus);為剪切應力(Pa,MPa);為剪切應變,無量綱。對于靜水壓力,則有:(2.1.5)式中K為體積模量(bulkmodulus);為剪切應力(Pa,MPa);為體積應變,無量綱。E、G、K三者的關系為:

(2.1.6)(2.1.6)(2.1.7)

式中為泊松比。當應力超過σA后,從A到B,不再是直線關系,但材料變形仍然是彈性的。所以,把B點所對應的應力σB稱為材料的彈性極限。又因A、B兩點很近,工程上常不予區(qū)分。當應力超過σB時,材料開始產(chǎn)生部分塑性(不可逆)變形,并很快進入屈服階段。

(2.1.8)

②

屈服階段:當應力達到σC后,會出現(xiàn)一段應變增加較快,而應力則在很小范圍內波動(震蕩)的所謂屈服階段,曲線上會出現(xiàn)一段很小的、接近水平的鋸齒狀曲線,也稱為屈服或流動,σC則稱為屈服應力。對于一般金屬而言,相應于σC的永久變形量約為0.05%。

③強化階段:屈服階段后,材料又開始恢復(增加)抵抗變形的能力,曲線呈現(xiàn)出隨增加而上升的趨勢,此現(xiàn)象稱為強化。此階段曲線的最高點D所對應的應力稱為強度極限(σD)。

④局部變形階段:越過D點以后,曲線由上升轉為下降,具體表現(xiàn)為受拉伸材料的某一局部范圍內應力截面將突然減小,產(chǎn)生所謂的“縮頸”現(xiàn)象,最后導致材料在縮頸處斷裂。脆性材料,如玻璃、陶瓷等,常溫下沒有屈服以及以后個階段,往往在應變很小(約0.0001)的狀態(tài)下突然斷裂,也即脆性斷裂。但當溫度升高到一定值以后(玻璃約為tg點,陶瓷約為1000℃左右),則會出現(xiàn)由脆性到半脆性再到塑性的的轉變,圖2.1.3。有些材料則會在特定溫度范圍出現(xiàn)超可塑性現(xiàn)象。

σD

σTA

TBTC

ABC

TAB

TBC

T/K

ε(a)(b)

圖2.1.3材料強度及應變與溫度的關系

2.1.1.3影響材料彈性的因素

(1)溫度:原子間結合力隨溫度升高而改變,E對T很敏感。固體材料的彈性模量一般隨溫度升高而降低。如果材料的熔點Tm,300K以下,彈性模量與熔點的關系為:(經(jīng)驗式)(2.1.9)式中Va為原子體積,k為波爾滋曼常數(shù)。(2)材料氣孔率(密度)(2.1.10)式中p為材料氣孔率,E0為p=0時的彈性模量,f1、f2為由氣孔形狀決定的常數(shù)。對于球形氣孔,f1=1.9,f2=0.9,Frost給出下述經(jīng)驗式:E=E0exp(-BP)(2.1.11)

(3)晶體結構對于晶體材料來說,E是各向異性的。E的值需用張量來描述。對于多晶材料來說,則可認為E是各向同性的(統(tǒng)計性的)。具有密堆積結構且鍵能大的材料通常具有較大的熱膨脹系數(shù)。

2.1.1.4復合材料的彈性模量復合材料的彈性模量與復合材料的復合相類型以及復合方式等有關。對于規(guī)則(取向一致)復合材料來說,復合材料的彈性模量EC與復合相的彈性模量EP間具有簡單的數(shù)學關系。以最簡單的二相理想三明治復合材料(圖2.1.4)為例,EC可以用混合定律來描述。在平行復合界面的方向上,材料處于等應變狀態(tài),應力主要由彈性模量大的物相承受。

根據(jù)理想二相復合模型Voigt給出:E∥=E1V1+E2V2

(2.1.12)式中E1、E2分別為材料1和2的彈性摸量;V1、V2分別為材料1和2的體積分數(shù)。

E∥

E⊥E⊥

E∥圖2.1.4二相理想三明治復合材料模型

G、K類似表達式,在此不再贅述。在垂直復合界面上,各相所受的應力相同,材料處于等應力狀態(tài)。Reuss給出的表達式為:

(2.1.13)顯然,E∥和E⊥分別代表了兩相理想復合材料彈性模量的上限和下限值,與實際材料有出入,如圖2.1.5

圖2.1.5WC-Co兩相復合材料實驗值

Voigt界

Reuss界

2.1.2材料強度2.1.2.1理論斷裂強度理想晶體常溫脆性(完全彈性體)斷裂時,其理論斷裂強()度主要取決于原子間力,可以近似表示為:(2.1.14)式中為理論斷裂強度(N·m2,Pa,MPa);E為彈性模量(N·m2,Pa,MPa);為材料斷裂表面能(J·m－m),a為原子間距(m)。其中可以用下式近似表示:(2.1.15)由式(2.1.14)和(2.1.15)可得:σth=E/10(2.1.16)實驗結果表明,實際材料的強度都明顯低于(脆性材料更明顯)理論強度,表2.1.1為某些材料強度的理論值與實驗值。

表2.1.1典型材料斷裂強度理論值與實驗值序號材料σth(Mpa)實測σf(MPa)σth/σf1Al2O3晶須50000154003.32鐵晶須30000130002.33奧氏體鋼2048032006.44高碳鋼琴絲1400025005.65硼34800240014.56玻璃693010566.07Al2O3單晶5000064477.68BeO35700238150.09MgO2450030181.410Si3N4(熱壓)38500100028.511Si3N4(反應燒結)38500295130.512AlN(熱壓)28000600~100046.7~28.0由表中數(shù)據(jù)可見,金屬材料的實際強度一般較σth低數(shù)倍,陶瓷、玻璃等脆性材料則低一到兩個數(shù)量級。產(chǎn)生此結果的本質原因是材料內部及表面存在各種各樣的缺陷,如熱缺陷、加工缺陷、合成或制作工藝過程中形成或保留下的氣孔、夾雜物、晶界、相界等,導致在應力作用下材料內部或表面形成非均勻力場,即所謂的應力集中,使材料在遠遠低于理論強度的宏觀應力狀態(tài)下斷裂或破壞。

3.1.2.2格里非斯(Griffith)微裂紋理論格里非斯(Griffith)認為,實際材料的內部和表面存在著各種各樣的微裂紋,這些微裂紋是材料的結構缺陷,也是材料強度的薄弱環(huán)節(jié)。這些缺陷可以是晶體缺陷、局部應力缺陷、微孔、環(huán)境介質侵蝕損傷以及材料加工損傷等,其尺寸可以從納米到微米級或更大。由于微裂紋的存在,一方面減少了材料承受應力的有效截面,另一方面造成應力在微裂紋(microcracks)尖端(邊緣,edge)形成應力集中,當這種集中的應力大于材料內部原子間結合力時,微裂紋就會擴展,導致應力進一步集中,繼而加速裂紋的擴展,如此循環(huán)作用,最后導致材料斷裂。

σ

2C

σ

圖2.1.6缺陷材料應力分布根據(jù)上述解釋,Griffith從能量準則出發(fā),給出了實際材料斷裂強度的理論計算式。他認為,帶有長度為2C(圖2.1.6)的穿透裂紋的脆性無限平板材料(平面應力狀態(tài))的斷裂強度為:(2.1.17a)2C對于厚板(平面應變狀態(tài)),則有:(2.1.17b)并且認為,裂紋擴展的條件為物體內部儲存的彈性應變能的降低應當大于等于由于材料開裂而形成的兩個新表面所需的表面能。比較(2.1.17a)與(2.1.14)兩式,即用πC/2取代(2.1.14)式中的a即得到(2.1.17a)式。式中的a通常小于1nm,而式(2.1.17a)中的C通常是μm級,甚至可達到mm級,所以,σf＜＜σth。式(2.1.17)是實際估算脆性材料斷裂應力的基本公式。但不適合用來估算金屬、非晶態(tài)聚合物等非脆性材料的一般性斷裂應力。這是因為,材料的裂紋形狀以及裂紋尖端區(qū)的塑性變形(產(chǎn)生應力松弛)等因素,都會使表面能發(fā)生變化。Orowan考慮到上述因素,給出一般材料的斷裂應力表達式為:

(2.1.18a)(2.1.18b)式中為裂紋擴展單位面所需的塑性變形功。延性材料>>,高強度合金≈103,普通強度鋼≈(104~106)。上述兩式可簡化為:

(2.1.19a)(2.1.19b)

裂紋模型根據(jù)固體的受力狀態(tài)和形變方式,分為三種基本的裂紋模型,其中最危險的是張開型,一般在計算時,按最危險的計算。張開型錯開型撕開型裂紋模型2.1.2.3應力強度因子與斷裂韌性應力強度因子與斷裂韌性實際材料一般都具有或大或小的塑性(plasticity),含微裂紋(MC)材料的斷裂是由于MC尖端應力場超過了一定極限。斷裂(fracture)過程中MC尖端存在不同程度的塑性變形區(qū),引起應力松弛(relax)。根據(jù)彈性力學理論,對于張開型MC,其尖端區(qū)的應力集中場強弱可以用下述公式描述:(2.1.20)式中,KI為應力強度因子,也即應力場強弱,描述了MC尖端區(qū)的應力環(huán)境。Y為形狀因子,又稱柔性系數(shù),是由MC形狀、尺寸及載荷形式所決定的無量綱系數(shù),無限平板Y=,σ為應力(J·m－m);C為MC半長(m)。當MC尖端區(qū)的應力場強度達到某一臨界值σC,也即應力強度因子達到某一臨界值KIC時,MC失穩(wěn)擴展,最終導致材料斷裂(破壞)。KIC稱為斷裂韌性(fracturetoughness)。KIC是一個對材料結構及MC類型敏感的材料常數(shù)(指標),表示材料對MC起始擴展的抵抗力,可用實驗方法檢測。常見的KIC測試方法有單邊直通切口粱法(SENB)、雙扭法(DT)、Knoop壓痕三點彎曲粱法、山形切口劈裂試件法等。對于張開型MC,材料中失穩(wěn)擴展并導致斷裂的條件可以表示為:

(2.1.21)或(2.1.22)(2.1.23)

無限平板:(2.1.24)

表2.1.2為某些典型材料的KIC值。表2.1.2某些典型材料的KIC值

材料KIC(Mpa·m1/2)材料KIC(Mpa·m1/2)Al2O3

4~405Sialon5~7Al2O3-ZrO24~4.5C(f)/Si3N4~28.1ZrO21~2C(f)/A3S2~18.0ZrO2-Y2O36~15馬氏體時效鋼100Si3N4(熱壓燒結)5~6Ni-Cr-Mn鋼45SiC3.5~6Ti6Al4V407075鋁合金50綜上所述,陶瓷材料與金屬材料相比,具有以下特點:(1)陶瓷材料理論上具有很高的斷裂強度,但其實際斷裂強度卻比金屬低得多,其主要原因是:陶瓷的多相結構或多晶結構、相分布不均勻、晶粒尺寸大且不均勻、晶粒性質各向異性、含不等量氣孔以及低的可塑性等;(2)金屬KIC通常比陶瓷KIC大一個數(shù)量級;(3)陶瓷(脆性)材料的抗壓強度遠大于抗張強度,其差值遠遠超過金屬。金屬抗拉強度與抗壓強度之比為1/3~1/4,而陶瓷等脆性材料的相應比值超過1/10。主要原因是陶瓷等脆性材料內部各種缺陷對張應力敏感,而對壓應力不敏感。部分材料的相應數(shù)據(jù)見表2.1.3。表2.1.3某些材料的抗張強度(σS)與抗壓強度(σP)

材料σS(MPa)σP(MPa)σS/σP鑄鐵FC10100~150400~6001/4鑄鐵FC25250~300850~10001/(3.3~3.4)石英玻璃502001/40鋁紅柱石(Al2O3.SiO2)12513501/10.899Al2O3瓷26529001/11.3燒結BC30030001/10

2.1.2.4影響材料強度的因素顯微結構:

①氣孔率:(2.1.25)式中:a為常數(shù),取值范圍為4~7;p為氣孔率;此式適用于氣孔率低于50%的材料。

②晶粒尺寸:(HallPitch關系)(2.1.26)式中:σ0為無限大單晶的強度;k為系數(shù);d為晶粒直徑,材料中微裂紋的尺寸與晶粒尺寸相當。

③晶界與相界:其種類、性質、結構、尺寸、結構狀態(tài)等都會影響材料強度。④晶粒形狀:多相材料最好是小而均勻的等軸晶?；驈秃嫌欣w維或晶須相。

⑤晶粒種類:本身的結構強度、化學鍵類型、晶體結構特征以及對稱性等。

⑥復合材料強度:針/棒狀晶粒、纖維及其織物、晶須、第二相微粒彌散等。高強單相多晶材料的顯微結構應符合下述要求:晶粒尺寸小、晶體缺陷少、晶粒尺寸均勻等軸、晶界或相界含量適當并減少脆性玻璃相含量、低氣孔率或采用纖維/晶須補強等。纖維及晶須的增強作用除了其本身具有高強度外,還增加了額外的拔出功。溫度的影響

①溫度對彈性模量的影響:影響原子間距,因而影響原子間結合力。

②

溫度對強度的影響:有兩類斷裂模式,一類是材料強度隨著溫度的升高持續(xù)下降,另一類是材料強度隨著溫度的升高先開始持續(xù)增大,達到一極限值后再隨溫度升高而下降(圖2.1.7)。

σT圖2.1.7抗彎強度與溫度關系的兩種模式對于陶瓷材料,Brown等人給出圖2.1.8所示的σf-T曲線。強度與溫度的關系一般可劃分為三個區(qū)域。

A區(qū):當T≤0.5Tm時,陶瓷強度基本不隨溫度改變或略有升高;當T＞0.5Tm時,強度隨溫度升高而明顯降低。σ

T/K

圖2.1.7陶瓷的σ-T關系

ABC

塑性變形應力斷裂前無內在裂紋塑性變形擴展應力斷裂應力交滑移應力

B區(qū):斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形。強度對即存缺陷的敏感性降低。斷裂主要受塑性變形控制,隨溫度的升高,強度明顯降低。共價鍵及離子鍵晶體由于位錯而產(chǎn)生塑性變形時,強度對溫度很敏感,此時強度受位錯塞積控制,可用式(2.1.26)描述。

C區(qū):當溫度進一步升高到C區(qū)時,二維滑移系開動,位錯塞積群中的部分位錯產(chǎn)生交滑移而沿另外的滑移面繼續(xù)滑移,松馳了應力集中,因而抑制了微裂紋的萌生和發(fā)展,且由于位錯的交滑移隨溫度升高而變得活躍,由此產(chǎn)生更強的對位錯塞積群前端應力松弛作用,所以在此區(qū)域,強度隨溫度升高而呈上升趨勢。上述觀點并非對所有陶瓷都符合得很好,不同的陶瓷材料也并非都存在A、B和C三個區(qū)域。共價鍵很強的Si3N4很難產(chǎn)生位錯運動,因此在很寬的溫度范圍內為A區(qū)特性,在很高的溫度下,強度也下降很少。Al2O3陶瓷在1000℃以下為A區(qū)特性,約在1000℃以上進入B區(qū)。很容易產(chǎn)生塑性變形的MgO陶瓷無A區(qū),在1700℃以下均為B區(qū),約在1700℃以上進入C區(qū)。材料表面狀態(tài)對強度的影響制作缺陷、加工缺陷、外力損傷以及腐蝕缺陷等。此類缺陷往往尺寸較大,常是影響材料強度的重要因數(shù)。荷載性質對材料強度的影響荷載大小、作用速度、靜載荷與震動載荷等。另外,小應力特別是周期性應力的長時間持續(xù)作用會使材料在遠低于實際強度的條件下疲勞破壞。

2.1.3材料硬度材料的硬度無統(tǒng)一定義,通常因測試方法而異。不同的測試方法得到的硬度通常物理意義也有區(qū)別。常用的有劃痕硬度、壓入硬度與研磨硬度。用劃痕法測試硬度時,如莫氏硬度,表示材料抵抗剪切破壞的能力。用壓入法測試硬度時,則表示材料抵抗塑性變形的能力。例如維氏硬度(HV)、洛氏硬度(HR、HRC,Rockwellhardness)、布氏硬度(HB,Brinellhardness)等。HB主要用于測試較軟及中等硬度的金屬材料,很少用于陶瓷。HV及HK適用于較硬材料,包括陶瓷材料的硬度測試。通常,還用顯微硬度測試無機非金屬材料的硬度。

2.1.3.1維氏硬度(HV,Vikershardness)HV硬度測試是用對面角為136°的金剛石正四棱錐體作為壓頭(indenter),在9.807~490.3N的載荷作用下,壓入材料表面,保持一定時間后卸除載荷,材料表面會留下一個截面為正方形的壓痕(indentation)(下圖),測量壓痕的對角線長度,并計算壓痕的內表面積,便可求出單位面積上的載荷,也即應力,此即為HV硬度值。HV的計算式為:

F

(MPa)(2.1.27)式中:P為壓頭載荷(N);S為壓痕表面積(mm2);θ為金剛石壓頭對面角(136°);d為壓頭對角線平均長度(最大值,mm)。HV與強度具有相同的量綱,按SI單位制,一般為MPa或GPa。對于脆性材料,多數(shù)情況下壓痕邊緣會產(chǎn)生破碎(裂紋),同時壓痕角上沿對角線延長方向也會產(chǎn)生裂紋,因此,壓痕形狀不如金屬規(guī)整,給d值的測量帶來一定困難。所以,在進行試樣制備時,其測試表面需用金剛石研磨拋光成鏡面。在HV測定的同時,可根據(jù)壓痕角部產(chǎn)生的微裂紋長度估算材料的KIC值。因此,HV測試是一種簡單、經(jīng)濟、一舉多得的方法。

2.1.3.2顯微硬度(microhardness)顯微硬度的測試原理同HV,但使用的載荷較小,為0.4903~9.807N(50~1000g)。另外,壓頭尺寸也較小,因此,壓痕尺寸也小,需用顯微鏡來測量壓痕的尺寸,因此而稱為顯微硬度。利用顯微硬度儀,可對材料顯微組織中不同的相或晶粒的硬度分別進行測試。顯微硬度根據(jù)壓頭的形狀不同又可分為維氏顯微硬度(Vikersmicrohardness,HVm)和努普顯微硬度(Knoopmicrohardness,HKm)。HVm的壓頭形狀與HV相同,而HKm的形狀為菱形截面金剛石錐,壓頭的對面角分別為172°30′和130°。HVm及HKm的計算公式如下:(MPa)(2.1.28)(MPa)(2.1.29)式中:P為載荷,(N);d對于HVm為壓痕對角線長度(mm),而對于HKm為長對角線長度。在顯微硬度使用的載荷范圍內,當用小載荷測定高硬度材料的硬度時,硬度值與P值有一定依賴關系。因此,測定時應盡量使用大載荷。另外,HK比HV的載荷依賴性更明顯。所以,不管采用何種方法,測量硬度時都應注明載荷值。另外,HV測試時,由于壓痕彈性變形會帶來一定誤差,而HK的誤差相對較小。

2.1.3.3劃痕硬度(莫氏硬度,Mohshardness)1812年由F.Mohs創(chuàng)立。莫氏硬度(HM)是一種相對硬度表示法,常用于礦物、地質、珠寶等行業(yè)。其測試方法是用事先規(guī)定好硬度等級的標準材料依次刻劃被測材料,如果某一種材料剛好能劃傷被測材料,則其低一級別的材料的硬度即為被測試樣的硬度。HM標準材料一般分為10級和15級兩類,詳見表2.1.4。

表2.1.4標準莫氏硬度材料順序材料硬度級(順序)材料硬度級(順序)滑石1滑石1石膏2石膏2方解石3方解石3螢石4螢石4磷灰石5磷灰石5正長石6正長石6石英7石英玻璃7石英8黃玉8黃玉9石榴石10熔融ZrO211剛玉9剛玉12SiC13立方BC14金剛石10金剛石15在選擇材料硬度測試方法時,應盡可能地反映材料的使用性能。另外,HM值只能比較材料硬度的相對大小,而且,任意兩相鄰硬度級間的實際硬度差并不相等。應當指出的是,采用不同方法側得的硬度值之間沒有可比性。對于結構陶瓷,E≈20HV,且當溫度升高時,E/HV比值通常也升高。

2.2材料的熱性能陶瓷材料的熱性能可以分為基本熱性能(熱物性)和使用熱性能兩大類?；緹嵝阅馨崛?比熱)、熱導率和熱膨脹性等。使用熱性能則主要包括耐火度、荷重軟化溫度、高溫蠕變、抗熱震性等。

2.2.1基本熱學性能2.2.1.1熱容(1)定義:材料溫度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的熱量,ISO單位為J·mol-1·K-1.根據(jù)過程的特征,又可分為恒壓熱容與恒容熱容。

(2.2.1)(2.2.2)恒壓是實際生產(chǎn)中常見情況,因此恒壓熱容應用較為廣泛。為了應用的方便,工程應用中還將恒壓條件下單位質量的材料溫度變化1K時所吸收或放出的熱量定義為比熱容的,即:(2.2.3)恒容條件下,可以從理論上導出CV-T關系。0K時CV=0,在極低溫度區(qū)(<<15K),CV比例于。其中稱為德拜(Debye)溫度。h為普郎克常數(shù),k為波爾滋曼常數(shù),為原子在晶格上的振動頻率。高溫時(多數(shù)陶瓷材料在1000℃左右)CV趨于一定值,即CV=3R=24.9J·mol-1·K-1,有時也使用下述經(jīng)驗公式:(2.2.4)式中,K為材料的體積莫量;為材料的線膨脹系數(shù)。

(2)影響因素:①有序無序轉變:熱容產(chǎn)生突變,形成居里點等;②同質異構轉變:熱容產(chǎn)生幅度較小的不連續(xù)變化;③溫度:一般情況下,溫度升高時,熱容升高。高溫時熱容隨溫度的變化趨勢變緩,CP-T近似于線性關系。④密度:通常,材料的熱容隨密度的增加而升高。通常,在材料的一級相變(firstorderphasetransition,吉布斯函數(shù)的一次導數(shù)不連續(xù),材料不同聚集態(tài)間的相變等)點處,伴隨有顯著的結構變化,系統(tǒng)的內能、熵以及熱容的變化是不連續(xù)的。而在二級相變(secondorderphasetransition,吉布斯函數(shù)的一次導數(shù)連續(xù),而二次導數(shù)不連續(xù),材料有序-無序轉變,許多高低溫型轉變等)點處,材料結構的變化是連續(xù)的,相間無明顯界限,二級相變也常稱為λ相變。

2.2.1.2熱導率(導熱率)

(1)定義:熱導率為單位時間內,在單位溫度剃度下,單位面積材料所傳導的熱量。熱導率體現(xiàn)了材料傳導熱量能力的大小,是工程設計和材料應用中的一項重要材料性能參數(shù)。導熱率的具體定義式為:(2.2.5)式中,A為材料在熱傳導方向上的面積(m2);dT/dx為傳熱方向上的溫度梯度(K·m-1);λ即為熱導率(W·m-1·K-1)。對于非金屬固體材料,傳熱以聲子振動為主(金屬以電子導熱為主,氣體、液體物質以分子傳熱為主),λ可用下式描述:(2.2.6)式中,vP為聲子傳導速度(m·S-1);lP為聲子平均自由程(m);CP為恒壓熱容。低溫時,熱容對熱傳導率的影響起主導作用,0K時λ=0,然后按T3關系隨溫度升高而升高。多數(shù)陶瓷材料在室溫以上時,λ隨溫度的升高而升高。高溫時熱容的影響減弱,因為高溫時聲子密度減小,原子熱運動的加劇導致自由程lP減小,而此時lP及λ都與1/T成比例,在隨溫度變化的過程中λ會出現(xiàn)一個極大值,例如MgO的λmax=40W·m-1·K-1。在熱工工程中,還經(jīng)常用到一個導溫系數(shù)a:

a=λ/(CPρ)(2.2.7)影響因素:

①

材料組成與結構:由式(2.2.5)可知,λ高的材料應具有散射干擾最小(lP最大)的結構。這包括由單一元素組成的結構、由原子量相似的元素組成的結構以及在固溶體中無外來原子或缺位的結構。例如,金剛石(TR),λ=900W·m-1·K-1(比銅的λ大兩倍多);石墨層內λ=840W·m-1·K-1,而層間λ=250W·m-1·K-1,)。這是因為石墨結構層內為共價鍵(SP2),結構牢固,不易導致熱激發(fā)晶格振動的嚴重散射,因而層內導熱率高,接近于金剛石。但層間為范德華鍵合,晶格振動易衰減,使層間導熱率低得多。BeO(λ=219W·m-1·K-1,100℃)、SiC(λ=155W·m-1·K-1)、BC等材料,都是由原子量和尺寸相近的及熱導率高的元素構成,由于晶格散射小而使晶格熱震動較易通過其結構傳遞,因而都具有高的熱導率。而在UO2和ThO2等材料中,陰陽離子尺寸相差較大,使晶格散射大得多,它們的熱導率不及BeO的1/10。

②固溶體的影響:形成固溶體(置換/間隙)通常會引起晶格畸變,因而會增加晶格散射,使自由程減小,導致熱傳導率降低。

③溫度的影響:低溫時,光子傳導的能量占總能量的比例很小,在討論熱容和導熱率時可忽略不計,但在高溫時由光子引起的熱傳導就顯得重要了,可以用下式表示:(2.2.8)式中,σ為史第分-波而滋曼(Stefen-Boltzman)常數(shù),n為材料折射率,lst為光子平均自由程。

可見,高溫時λst隨溫度升高而很快增大;中溫區(qū)的λst與在紅外區(qū)的溫度輻射波長的折射率有關,這就是石英玻璃的熱導率總在500℃以上隨溫度升高而增大的原因。另外,光子易在氣孔中被散射,使lst減小。

④復合材料的熱導率:對于兩相三明治復合材料:

(2.2.9)式中,λC為固相(連續(xù)的基質相)的導熱率;p為氣孔率(或不連續(xù)的分散相)。對于低氣孔率(或少量的連續(xù)的第二相)材料,則可簡化為:(2.2.11)對于一般情形,可以用下式描述:(2.2.12)式中λm為連續(xù)相導熱率;λd為分散相導熱率;V為連續(xù)相體積分數(shù);Q=λm/λd。

2.2.1.3熱膨脹在任意溫度時:線膨脹系數(shù):(2.2.13a)體膨脹系數(shù):(2.2.13b)在有限溫度范圍內:

平均線膨脹系數(shù):

(2.2.14a)

平均體膨脹系數(shù):

(2.2.14b)

當很小時,可以認為。對于各向異性的晶體,。某些材料的線膨脹系數(shù)見表2.2.1。

表2.2.1某些材料的平均線膨脹系數(shù)(0~1000℃,×10-6/K)

材料材料Al2O38.8Y2O39.3BeO9.0ZrO2(穩(wěn)定)10.8MgO13.5石英玻璃0.5A3S25.3Na-Ca-Si玻璃9.0尖晶石7.6瓷器6.0ThO29.2粘土質耐火材料5.5UO210.0MgO·Al2O39.0B4C4.5Al2O3·TiO22.5SiC’4.4鋰霞石-6.4SiC’’4.8鋰輝石1.0SiC’’’4.8堇青石2.5Si3N4’3.2TiC金屬陶瓷9.0Si3N4’’3.4TiC7.4Si3N4’’’2.6ZrSiO44.5熱膨脹系數(shù)與晶體結構和鍵型的關系一般地講,鍵強大的材料的膨脹系數(shù)較小,但結構的影響甚明顯,見圖2.2.1。

MgO:NaCl型結構,O2-形成面心立方結構,Mg2+位于立方體中心及棱中點,熔點2800℃,熱膨脹系數(shù)較大。ZrO2:螢石型結構,Zr4+形成立方面心結構,O2-位于八個小立方體中心,熔點2680℃,膨脹系數(shù)較MgO小。

Al2O3:斜方晶系,Pmmm空間群,熔點1827~1890℃。ZrSiO4:四方晶系,I41/amd空間群,為島狀硅酸鹽結構,[SiO4]由Zr4+聯(lián)結,Zr4+填充于由8個O2-構成的八面體空隙中,1540~1700℃分解,耐火度高于2000℃。

表2.2.2某些非等軸晶系晶體的熱膨脹系數(shù)(×10-6/K)晶體α(⊥C軸)α(∥C軸)晶體α(⊥C軸)α(∥C軸)Al2O38.39.0方解石-6.023.0A3S24.55.7石英14.09.0TiO26.88.3鈉長石4.013.0ZrSiO43.76.2β-鋰輝石6.5-2.0石墨1.027.0鋰霞石8.2-17.0Al2TiO5-2.611.5復相材料的熱膨脹系數(shù)

①Turner模型:假設顯微應力不引起微裂紋,材料中各晶粒的收縮與總收縮一致,所有顯微應力都是純流體靜拉應力和壓應力,忽略界面剪切,則Turner模型為:(2.2.17)

式中:N為物相的數(shù)量;αi第i相的體積膨脹系數(shù);Ki第i相的體積模量;Fi第i相的質量百分數(shù);ρi第i相的密度;

②Kerner模型:如果考慮晶間或相間的剪切效應,則兩相材料的總膨脹系數(shù)可以用Kerner模型計算:

(2.2.18)式中:G為剪切模量;V為體積分數(shù)。

③玻璃體:符合加和性公式:(2.2.19)式中:n為組成玻璃的簡單氧化或化合物的數(shù)量;mi為組分i的摩爾分數(shù)。

2.2.1.4熔點(meltingpoint)單晶、簡單氧化物、簡單化合物以及元素等,通常具有固定的熔點,部分物質的熔點見表2.2.3。熔點反映了材料中原子間的結合力。通常,金屬:,多數(shù)陶瓷材料:。復相材料、許多復雜化合物、玻璃等材料通常沒有固定的熔點,只有一個熔融溫度范圍。

表2.2.3某些材料的熔點材料熔點(℃)材料熔點(℃)材料熔點(℃)K63.5Si1410ThO23300Zn419Co1490TiO21840Cu1083Sn231.91SiO21730Ag960.8Pb327.3MgO2800Au1063Ti1812CaO2570Ge960Cr1903SrO2430Ga29.8Pt1769BaO1920Ni1455Rh1960ZrO22680Mn1244Na2O＞400℃Al2O32050Fe1535B2O3≈450℃

2.2.2無機非金屬材料的使用熱性能2.2.2.1耐火度

單質與簡單化合物通常具有固定的熔點,但對于多組分多相材料以及許多復雜化合物,一般無固定的熔點,它們的熔融過程是在一定溫度范圍內完成的。從開始熔融(始熔,如相圖中的最低共熔點)到完全熔融(相當于相圖中的液相線或液相面上的等組成熔融點)有一個較寬的溫度范圍。實際應用(耐火材料、陶瓷材料、礦物原料等)中,通常用耐火度來表示這一特性。耐火度的概念:表示材料在無荷重時抵抗高溫作用而不熔化的能力,稱為耐火度(refractoriness)。

耐火度表示了結構陶瓷、耐火材料等多晶、多相材料以及復雜礦物在不承受載荷作用的條件下抵抗高溫作用而不熔化的能力,是耐火材料、窯具材料、高溫結構陶瓷以及許多無機非金屬礦物的一項重要熱性能指標。陶瓷(硅酸鹽)坯釉料等的配方也常涉及耐火度問題。

耐火度的測定:根據(jù)GB/T7322-1997和ISO標準,耐火度的測試方法為:將被測材料制成與標準溫錐尺寸和形狀相同的截頭三角錐,在規(guī)定的加熱條件下,與標準測溫錐彎倒的情況做比較,直至試錐的頂部彎倒到接觸底盤,此時與試錐彎倒情況相同的標準測溫錐(圖2.2.2)所代表的溫度即為試樣的耐火度。

(2)

圖2.2.2耐火度的測試方法耐火度通常用標準測溫錐的錐號表示。各國的測溫錐規(guī)格有所不同,相同錐號代表的溫度也有差異。世界上常見的標準測溫錐有德國的塞格爾(Segerkegel,SK)錐、國際標準化組織(ISO)的標準測溫錐、中國的標準測溫錐和(WZ)前蘇聯(lián)的標準測溫錐(ПK)等。其中ISO錐、WZ和ПK是一致的,采用錐號乘以10即為所代表的溫度,詳見表2.2.4。表3.2.4典型測溫錐標號對照

WZПKSKGerm./℃USA/℃WZПKSKGerm./℃USA/℃110110111001160158158261580159011211221120116516116127161016051141143114011701631632816301615116116411601190165165291650164011811851180120516716730167016501201206120012301691693116901680123123712301250171171321710170012512581250126017317333173017451281289128012801751753417501760130130101300130517717735177017851321321113201325179179361790181013513512135013351821823718251820138138131380135018518538185018351411411414101400188188391880143143151435143519219240192014614616146014651961964119601481481714801475200200422000150150181500149015215219152015201531532015401530實際測定耐火度時,對升溫速度有具體規(guī)定,Seger錐為600℃/hr,美國錐中溫區(qū)段為150℃/hr,高溫區(qū)段為1000℃/hr。我國國家標準規(guī)定為:在1~1.5小時內,把爐溫升至比估計試樣的耐火度低100~200℃的溫度,再以平均2.5℃/min的速率升溫到實驗結束。在耐火度溫度下,材料的液相量約為70~80%,液相的粘度約為10~50Pa·S。某些材料的耐火度見表2.2.5。

影響耐火度的因素:

①組成:包括化學組成和礦物組成。純度高則耐火度也高,玻璃相通常降低材料的耐火度;

②顯微結構:晶粒直徑大,則耐火度高。因此,測定耐火度時,試樣一般過0.20mm篩。

③升溫速度:升溫速度越快,測得的耐火度值越高;

④氣氛:含鐵、鈦等變價元素的材料,還原氣氛下通常具有較低的耐火度;⑤

試錐形狀及測試時的放置方法。

2.2.2.2高溫荷重軟化溫度高溫荷重軟化溫度的概念:表示材料(尤其是耐火制品)在持續(xù)升溫條件下承受恒定載荷產(chǎn)生一定形變的溫度。高溫荷重軟化溫度反映了材料同時抵抗高溫以及載荷雙重作用而不變形的能力,在一定程度上體現(xiàn)了材料的實際使用情況(高溫和應力),是高溫結構材料、耐火材料以及窯具材料等的一項重要性能指標。測定方法:根據(jù)GB/T5989-1998和ISO1893標準規(guī)定,用視差升溫法測定耐火制品的荷重軟化溫度。其原理是在規(guī)定的恒壓載荷和升溫速率下加熱圓柱體試樣,直到試樣產(chǎn)生規(guī)定的壓縮變形,記錄試樣在升溫過程中的變形-溫度曲線。

具體測試方法及要求為:所用試樣為帶中心孔的圓柱體,試樣外形尺寸為:Φ50×50mm,中心孔直徑為Φ12~13mm;測試載荷為0.20MPa;升溫速率分別為4℃/min(低于1000℃時)和5~10℃/min(高于1000℃時);紀錄試樣中心溫度及變形量,得一溫度-變形量曲線,再用事先已測定的相當于試樣高度的α-Al2O3管的溫度-膨脹曲線,對實驗所得試樣的溫度-變形曲線進行校正,分別報告自試樣膨脹最高點開始壓縮試樣原始高度的0.5%、1.0%、2.0%和5.0%相對應的溫度T0.5、T1.0、T2.0和T5.0,作為衡量試樣高溫荷重軟化溫度指標。中國冶金標準(YB/T370-1995)用非視差-升溫法測定耐火制品的高溫荷重軟化溫度。試樣為Φ36×50mm的圓柱體,測試載荷0.20Mpa,升溫速率在比試樣膨脹最高點低150~200℃以前為10~15℃/min,此后為5~6℃/min。測定試樣的溫度-變形曲線,報告自試樣膨脹最高點開始壓縮0.3mm、2mm和20mm相對應的溫度TH(試樣軟化開始溫度或0.6%變形溫度)、TC(試樣的4%變形溫度或潰裂溫度)和TK,作為衡量試樣高溫荷重軟化溫度指標,并用TK-TH評價材料的高溫荷重軟化溫度特性--荷重軟化變形溫度范圍。幾種典型耐火材料的荷重變形曲線如圖2.2.3所示,相應的高溫荷重軟化溫度指標見表2.2.6。表2.2.6典型耐火材料的0.20MPa荷重變形溫度指標(℃)耐火材料THTCTKTK-TH硅磚(耐火度1730℃)1650—167020一級粘土磚(Al2O340%,耐火度1730℃)140014701600200三級粘土磚125013201500250莫來石磚(Al2O370%)160016601800200剛玉磚(Al2O390%)18701990——鎂磚(耐火度>2000℃)1550—158030影響因素:

①組成:包括化學組成和礦物組成,尤其是礦物組成,玻璃相通常降低材料的高溫荷重軟化溫度,影響的程度還與玻璃相種類有關,見表2.2.6;

②材料的顯微結構:晶粒種類、晶粒大小、相對數(shù)量、形狀尺寸、交織關系等;

③升溫速度:升溫速度越快,測得的高溫荷重軟化溫度值越高;

④氣氛:含鐵、鈦等變價元素的材料,還原氣氛下通常具有較低的高溫荷重軟化溫度;

⑤玻璃相:數(shù)量、種類、分布形式及其隨溫度的變化特性等;

⑥氣孔率:統(tǒng)常降低高溫荷重軟化溫度。特別值得指出的是,熔點高的材料TH、TK不一定高,詳見表2.2.6及圖2.2.3。另外,組成越簡單(物相數(shù)量少,主相多,玻璃相少),通常高溫荷重軟化溫度范圍窄。對于粘土磚來說,其相組成大約為:主相為A3S2(~50%),其余部分為石英、氣孔和硅酸玻璃相。通常具有較低的TH,但因硅酸鹽玻璃相的高溫粘度隨溫度的變化率較小,因而具有很寬的高溫荷重軟化溫度范圍。硅磚的主相為鱗石英,形成三微骨架,少量玻璃相(10~15%)主要填充于空隙之中,因此而具有高的荷重軟化溫度和窄的軟化溫度范圍。鎂磚雖然具有特別高的耐火度,但其主相方鎂石沒有形成支撐骨架結構,而是為耐火度較低的鎂橄欖石和鎂薔薇輝石等所包裹(高溫時熔融成潤濕性好的鎂硅酸鹽玻璃),因此其高溫荷重軟化溫度較低,高溫荷重軟化溫度范圍也窄。

2.2.2.3高溫荷重軟化溫度概念:指耐火制品、高溫結構材料等在一定溫度和恒定應力同時作用下隨時間變化而發(fā)生的等溫變形,也是耐火材料以及其它高溫結構材料的一項重要性能指標,基本反映了高溫材料在高溫使用條件下的強度性質。測試方法:根據(jù)外加應力的方式,可分為壓縮蠕變、拉伸蠕變、彎曲蠕變和扭轉蠕變,其中最為常用的是高溫壓縮蠕變。國家標準(GB/T5073-1985)規(guī)定了耐火制品壓縮蠕變的測試方法。其基本原理是:在恒定壓應力下,以一定的升溫速率加熱規(guī)定尺寸的試樣,在指定的實驗溫度下恒溫,記錄試樣隨時間變化而發(fā)生的變形,而蠕變速率按下式計算:(2.2.20)式中:P為蠕變速率,%;Li為試樣原始高度,mm;L0試樣在恒溫開始時的高度,mm;Ln是樣恒溫n小時后的高度,mm。實際應用中,通常還用高溫蠕變曲線表示。典型的高溫蠕變曲線如圖2.2.4所示,可分為4個蠕變階段:

①OA段:瞬時彈性變形階段,應變與時間無關;

②AB段:一次蠕變,也稱減速蠕變階段(,蠕變速率隨時間增加而減小)。此階段的持續(xù)時間與材料的本質、溫度以及應力大小有關。在減速蠕變階段往往伴隨有晶內亞結構的形成。

③BC段:二次蠕變,也稱等速蠕變(),蠕變率與時間成線性關系,在此蠕變過程中,材料一般無結構變化;

④CD段:三次蠕變,也稱加速蠕變(),材料最后在D點破壞。此階段往往與材料內部各種缺陷的成核、生長與合并有關。蠕變機理:材料的蠕變從機理上可以分為擴散蠕變、位錯蠕變和晶界蠕變三類。擴散蠕變也稱為納巴羅-赫潤(Nabarro-Hering)蠕變,其本質為材料晶格中質點(原子、離子等)由受壓晶面向受拉晶面擴散的過程,屬于晶界機制。在外界應力的作用下,多晶固體內部自擴散會隨應力的方向形成定向擴散流(圖2.2.5)。σ

σσσ圖2.2.5蠕變機理例如,空位將從受壓晶界流向張應力晶界,其濃度將增加到(Ω為空位體積;C0為平衡濃度),而受壓晶界的空位濃度將降低到,原子和離子也有類似的定向流,結果產(chǎn)生晶界的滑移和晶粒形狀的改變。按上述模型,納巴羅和赫潤得出蠕變速率為:

(2.2.21)式中:t為時間;D為原子自擴散系數(shù);d為晶粒尺寸;σ為應力。如果擴散只沿晶界進行,Coble給出的蠕變速率公式為:(2.2.22)式中:δ為晶界寬度,Db為晶界擴散系數(shù).

位錯蠕變則是由于位錯運動而產(chǎn)生的變形。位錯運動可以有滑移(沿滑移面的運動)和攀移(運動到滑移面以外,高溫時起重要作用)兩種形式。位錯的攀移過程取決于晶格空位的擴散。因此,擴散也控制著變形的速率。威爾特曼給出小應力下的穩(wěn)態(tài)應變速率公式為:(2.2.23)式中:b為柏格斯矢量;G為剪切模量;N為位錯源密度。位錯通過攀移移出滑移面常形成小角晶界(<15°)。溫度對位錯攀移有顯著影響。在多晶陶瓷等材料中,晶界會阻止位錯的運動(塞積和釘扎),從而減緩蠕變速率。晶粒尺寸也會影響材料蠕變。配奇(Petch)方程給出了由于位錯滑移而導致的屈服強度和晶粒尺寸的關系為:

(2.2.24)式中:B為常數(shù);σi為摩擦應力,是晶格抵抗變形能力的一個度量。晶界蠕變的機制主要是高溫作用下弱聯(lián)結晶界的相對滑移和作為位錯源或位錯壑。晶界滑移(粘滯滑移)可使應力松弛,作為位錯壑則可以消除位錯的塞積和釘扎,作為位錯源則可以消除晶界的結合力,這些都有利于蠕變的進行。另外,晶間玻璃相的數(shù)量和性質、氣孔率的高低等都會對蠕變產(chǎn)生明顯影響。

影響因素:①顯微結構、荷載大小、加熱溫度;

②單晶體,位錯的攀移和滑移--缺陷擴散,取決于晶體的本性---鍵型、鍵強、結構的完整性等;③單相多晶材料:除上述因素外,還有晶界的滑移與擴散;④多晶多相材料(如晶體加玻璃相):取決于玻璃相的高溫粘度、潤濕性與數(shù)量等;⑤材料的氣孔率:減小有效截面,降低滑移阻力。在實際應用中,常用固定的變形量(常取10%)或變形速率(常取溫度每升高10℃時變形率為1%)來評價材料在高溫應力狀態(tài)下的使用溫度極限,并用來定性判別不同材料之間高溫荷載能力的差異。

2.2.2.4超可塑性(Superplasticity)概念:材料在一定的條件下(溫度、應力及其作用速率)顯示出異常大的塑性而不發(fā)生縮頸斷裂的現(xiàn)象,通常用材料延伸率衡量。分類:按形成超可塑性的機理可將其分為相變超可塑性和組織(結構)超可塑性兩類。相變超可塑性:材料承受載荷時,由于溫度循環(huán)波動而引起相變使材料獲得超可塑性;

組織(結構)超可塑性:也稱結構超可塑性,對于晶粒(通常為等軸晶系)尺寸一般為0.5~5μm,最大不超過10μm的材料,通過特征顯微組織在恒壓應變速率下獲得的超可塑性。通過晶粒細化來獲得超可塑性的研究較多,具有這種組織結構的材料在溫度T≥0.4Tm時,以適當?shù)膽兯俾?10-4~10-1S-1)進行拉伸或變形,便可出現(xiàn)超可塑性(晶界滑移加轉動)。有人認為晶界滑移加擴散式協(xié)調變形是一種可能的超可塑性機制。某些超可塑性材料的延伸率見表2.2.7。

表2.2.7一些超可塑性材料的延伸率

細晶粒(<1μm)陶瓷材料當溫度升高到一定值時也會出現(xiàn)超可塑性,但其延伸量要比金屬低得多,出現(xiàn)超可塑性的溫度也高許多。例如,加入1Wt.%MgO的細晶Al2O3的超可塑性拉伸曲線如圖2.2.7。材料延伸率(%)材料延伸率(%)高純鋁250美國2090Al-Li合金1800Al-Cu-Zr合金1680美國2091Al-Li合金1430中國LY12鋁合金500美國8090Al-Li合金1090Al-Mg合金890~1100前蘇聯(lián)01420合金680LC4鋁合金2300Zn-Al合金700~1000

晶粒尺寸為0.3μm的部分穩(wěn)定氧化鋯(PZT)陶瓷可獲得100%以上的延伸率。一般認為,細晶粒陶瓷的超可塑性機理為晶界滑移,變形時晶粒的形狀幾乎不變。圖2.2.8PZT陶瓷的超可塑性

2.2.2.5無機非金屬材料的熱震穩(wěn)定性熱震穩(wěn)定性是指材料在經(jīng)受溫度急劇變化(急冷急熱)或反復加熱冷卻循環(huán)作用時各種性能的穩(wěn)定性。實際應用中主要包括體積穩(wěn)定性、組成穩(wěn)定性、強度穩(wěn)定性、抗熱沖擊破壞和損傷性(抗熱震性)等。

體積穩(wěn)定性是指材料在高溫長期作用或循環(huán)作用下體積發(fā)生不可逆改變(收縮或膨脹)的現(xiàn)象。主要與材料在高溫作用下繼續(xù)發(fā)生的各種化學反應、相變、析晶與熔融等物理化學過程有關。

組成穩(wěn)定性則包括化學組成與巖相組成兩個方面。組成穩(wěn)定性主要受材料在高溫使用條件下與環(huán)境(介質)