第四章-材料熱學(xué)性能(材料科學(xué)基礎(chǔ))

4－2材料的熱性能(thermalperformance)

熱導(dǎo)率

熱物理性能：比熱容熱膨脹性耐熱性

熱化學(xué)性能：熱穩(wěn)定性燃燒特性4－2－1材料的熱學(xué)性質(zhì)(thermalproperty)1.熱傳遞熱的移動有三種方式：熱傳導(dǎo)熱輻射熱對流與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)受外界因素的影響熱傳導(dǎo)－基本的傳遞方式。它的機(jī)制主要可分為下列三種：A自由電子的傳導(dǎo)（金屬）B晶格振動的傳導(dǎo)(具有離子鍵和共價鍵的晶體)C分子的傳導(dǎo)（有機(jī)物等）

在固體中任一點上的熱流量q正比于溫度梯度即:q＝

(dT/dX)

因此，若兩平面保持T1和T2的溫度,則穩(wěn)態(tài)熱流量（與時間無關(guān)）為:

q=

A

(T1-T2)/d

式中A為平板面積,

為熱導(dǎo)率,d為厚度對一組相似的不同材料的平面板，傳熱速率正比于熱導(dǎo)率。若考慮瞬間的而不是穩(wěn)態(tài)的熱流（即非穩(wěn)態(tài)），那么在固體中溫度變化的速率為：

=

/CP·

式中

為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2.s-1；CP為比熱容；

為密度當(dāng)熱流量以某速率流入到一個材料中時，溫度上升的速度正比于

而反比于單位體積的熱容，

CP2.熱導(dǎo)率

(thermalconductivity)定義：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積上的熱量,是材料傳輸熱量的速率的量度Q/A=

(dT/dX)

的單位:

J.s-1.m-1.K-1或W.m-1.K-1金屬：

高自由電子無機(jī)非金屬：

中等晶格熱振動高分子

很小，0.1-0.4之間銀最高427合金40金剛石30玻璃

1

從物質(zhì)原子水平上來說，在一塊冷平板的一個面上，外加熱能的影響是增加該面上的原子熱振動振幅，然后，加入的熱能以某一速率向?qū)γ娣较驍U(kuò)散。金屬:

金屬是優(yōu)良的導(dǎo)熱體,這是因為自由電子在金屬中主要承擔(dān)了熱量的傳遞.金屬內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷會防礙自由電子的運(yùn)動,減少傳導(dǎo)作用,所以合金的熱導(dǎo)率明顯變小.

非金屬:

擴(kuò)散速率強(qiáng)烈地取決于鄰近原子的振動和結(jié)合的基團(tuán).強(qiáng)力結(jié)合發(fā)生在共價鍵合的材料中,在有序的晶體晶格中傳熱是比較有效的（如晶態(tài)石英）。極度無序結(jié)構(gòu)的無定形固體表現(xiàn)出很低的熱導(dǎo)率.

高分子:

在分子固體中,次價力把晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起,因為分子之間弱的結(jié)合,導(dǎo)熱性差.熱傳遞沿分子鏈進(jìn)行比在分子間進(jìn)行要容易.取向引起熱導(dǎo)率的各向異性,沿取向方向熱導(dǎo)率增大,橫向方向減小.例題:有一塊面積為0.25m2、厚度為10mm的鋼板熱導(dǎo)率為51.9W/(m*K)，兩表面的溫度分別為300℃和100℃，試計算該鋼板每小時損失的熱量？解：

q=λA（T1-T2）/d=51.9*0.25*（300-100）/0.01=259.5KWQ=259.5*3600=934.2MJ3、比熱容（CP）或CV材料對熱量的吸收能力熱容（heatcapacity)：在沒有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，將一摩爾材料的溫度升高一度所需的能量。單位為J/mol·K。若體積恒定，那么所吸收的熱量等于內(nèi)能的增量

等容熱容：內(nèi)能對于溫度的曲線上的斜率若物質(zhì)處于恒壓，所吸收的熱量等于焓的增量：

等壓熱容：焓對于溫度的曲線上的斜率Cp總是大于Cv，除非絕對零度時CP=CV=0

比熱容與相變

比熱容是指將一定質(zhì)量的材料的溫度升高1℃所需要的能量,單位為J.kg-1.K-1

比熱容和熱容之間的關(guān)系是:比熱容c=熱容/原子量高分子材料的比熱容主要由化學(xué)結(jié)構(gòu)決定,比金屬及無機(jī)材料的大.一級相變:由于熱量的不連續(xù)變化,熱容出現(xiàn)突變,如圖(a)二級相變:在一定溫度范圍內(nèi)逐漸完成,焓無突變,僅在靠近轉(zhuǎn)變點的狹窄溫度區(qū)間內(nèi)有明顯增大,導(dǎo)致熱容急劇增大,如圖(b)4-2-2熱膨脹性（ThermalExpension)1、熱膨脹材料的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象

原因：原子或分子的熱運(yùn)動,與原子或分子在熱能增加時平均振幅的增大有直接關(guān)系.振幅隨溫度增高以后，必然導(dǎo)致原子平均間距的增加，這在宏觀上的反映是材料體積和線尺寸的增加。

2、熱膨脹類型(coefficientofthermalexpansion)

線膨脹系數(shù):溫度升高1℃所引起的線尺寸相對變化

l=(1/l)dl/dT

體膨脹系數(shù):溫度每升高1℃所引起的體積相對變化

V=(1/V)dV/dT

對于各向異性固體,需要2~3個線膨脹系數(shù);對于各向同性固體,只要一個線膨脹系數(shù)．

影響因素①溫度：T升高，

增大②結(jié)構(gòu)：鍵能大，

減小無機(jī)材料

小，10-5~10-6

金屬中，1~3×10-5

高分子大，2.5~25×10-5

各種材料的線膨脹系數(shù)比較共價鍵材料與金屬相比,一般具有較低的膨脹系數(shù);聚合物類材料與大多數(shù)金屬和陶瓷相比有較大的膨脹性;塑料的線膨脹系數(shù)一般為金屬的3~10倍;熱塑性塑料的線膨脹系數(shù)比熱固性塑料大，這是因為交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聚合物為三維共價鍵結(jié)合，所以膨脹系數(shù)低；對于線性長鏈聚合物，由于其分子間為弱的范氏力結(jié)合,膨脹系數(shù)較高.由于線性長鏈聚合物的聚集狀態(tài)取決于加工歷史以及熔體的冷卻速度等，其膨脹系數(shù)具有較大幅度的可變性。4-2-3耐熱性（HeatResistance)1、概念：

耐熱性——指在受負(fù)荷下，材料失去其物理機(jī)械性能而發(fā)生永久變形的溫度。高分子材料常溫及中溫條件下使用，目前連續(xù)使用溫度未超過500

C，一般170

C。

鋼——550

C；

合金——900

C；

石墨——3000

C。

陶瓷——2000

C。

材料的使用上限溫度(課本329頁表4-14)

2、耐熱性表征（高分子材料）

物理狀態(tài):可用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg),

軟化溫度(Ts),

熔融溫度(Tm)

進(jìn)行表征.聚合物的耐熱性與聚合物的結(jié)構(gòu)有強(qiáng)烈的依賴性,凡是能使聚合物Tg和Tm升高的結(jié)構(gòu)因素，都能使得聚合物的耐熱性得以提高。一般來講,主要包括交聯(lián),結(jié)晶和剛性鏈結(jié)構(gòu)三個方面:交聯(lián):熱固性塑料不熔不溶,無明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,其耐熱性一般都高于熱塑性塑料.剛性鏈結(jié)構(gòu):大分子主鏈由芳環(huán)和雜環(huán),以及梯形結(jié)構(gòu)連接起來的聚合物具有最高的耐熱性.但這類剛性鏈結(jié)構(gòu)聚合物的溶解性極差，熔點非常高，甚至不溶不熔給成型加工帶來困難，從而限制其在工業(yè)中的應(yīng)用。4-2-4熱穩(wěn)定性(thermalStability)1、表征方法耐熱性:

表征的是材料的熱物理變化;熱穩(wěn)定性:

指材料化學(xué)結(jié)合開始發(fā)生變化的溫度.起始分解溫度（Td）：聚合物化學(xué)結(jié)合（結(jié)構(gòu)）開始發(fā)生變化的溫度常采用相對標(biāo)準(zhǔn)

（1）半分解溫度（2）熱失重曲線（TG）比較曲線給定溫度下的失重給定失重的溫度（3）DSC和DTA：熱焓的變化2、熱穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

k=Ae(-

E/RT)鍵能越大,熱分解速率常數(shù)k值越小，高聚物的半分解溫度越高,熱穩(wěn)定性越好.3、熱分解機(jī)理(1)只受熱（惰性氣體，或真空中）大分子鏈斷裂成自由基。開鏈——單體；(2)熱氧分解

氧（環(huán)境）參加，在高溫下由于熱和氧化作用的雙重進(jìn)攻，高分子材料的熱穩(wěn)定性大大下降，熱氧化分解產(chǎn)物一般完全揮發(fā)掉。氮氣空氣(1)在高分子鏈中,各種鍵合基團(tuán)的熱穩(wěn)定性順序依次為:(2)采