fh12材料的熱學(xué)性能-2

1、1,材料性能學(xué),付華石家莊鐵道大學(xué),2,第12章 材料的熱學(xué)性能12.1晶體的點(diǎn)陣振動(dòng)12.2 熱容12.3 熱膨脹12.4 熱傳導(dǎo)12.5 熱穩(wěn)定性第13章 材料的磁學(xué)性能第14章 材料的電學(xué)性能第15章 材料的光學(xué)性能,第二部分 材料的物理性能,3,12.4 熱傳導(dǎo),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,空氣、羊毛/羽毛/毛皮/棉花/石棉/軟木等松軟物質(zhì)。,瓷/

2、木頭/竹子/皮革，玻璃、混凝土等。,金屬：良導(dǎo)體。銀>銅>鋁。,,導(dǎo)熱能力,4,傅里葉(Fourier)定律：,單位梯度溫度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)材料單位垂直面積的熱量。,λ單位: J／(m·s·K)，W/ (m·K)，W/m·℃。,熱（能）流密度q ：,熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))λ:,5,晶格振動(dòng) （格波）,12.4.2 微觀機(jī)理,氣體：,聲子熱導(dǎo)： 聲頻支—較低溫度；光子熱導(dǎo)：

3、 光頻支—高溫時(shí)。,固體：,分子碰撞傳熱；,自由電子,,,6,高溫處：質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)強(qiáng)烈,晶格振動(dòng)（格波）的熱傳導(dǎo)機(jī)理:,質(zhì)點(diǎn)間相互作用，振動(dòng)較弱的質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng)較強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)影響下，振動(dòng)加劇，能量增加；熱量，從高溫向低溫傳遞 →→熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。,低溫處：質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)較弱；,熱傳導(dǎo)微觀機(jī)理,7,新聲子的動(dòng)量方向和原兩個(gè)聲子的方向一致，熱阻小。,（1） 聲子的碰撞過(guò)程,碰撞后，方向反轉(zhuǎn)，熱阻較大。,1. 聲子熱傳導(dǎo),熱阻： 聲子擴(kuò)散過(guò)程

4、中的各種散射。,8,（2） 點(diǎn)缺陷的散射,（4） 晶界散射,（3） 位錯(cuò)的散射,熱阻： 聲子擴(kuò)散過(guò)程中的各種散射。,9,固體中分子、原子和電子的振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)，輻射出頻率較高的電磁波（光子）。,波長(zhǎng)0.4-40μm的可見(jiàn)光和近紅外光,具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，稱為熱射線，其傳遞過(guò)程------熱輻射。,2. 光子熱導(dǎo)(高溫時(shí)),發(fā)生光的散射/衍射/吸收/反射/折射。,光子在介質(zhì)中的傳播過(guò)程------光子導(dǎo)熱過(guò)程。,輻射與吸收：,高

5、溫：輻射>吸收,低溫：輻射<吸收,10,對(duì)輻射線透明的介質(zhì)，熱阻小。單晶、玻璃，在773---1273K輻射傳熱很明顯；,光子熱導(dǎo)的熱阻：材料的光學(xué)性質(zhì),對(duì)輻射線不透明的介質(zhì)，熱阻大。大多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在1773K高溫下 輻射明顯；完全不透明的介質(zhì)， 輻射傳熱可以忽略。,11,金屬：大量自由電子。,3. 電子熱導(dǎo),純金屬：主要熱傳導(dǎo)機(jī)理。,合金：雜質(zhì)原子散射。熱傳導(dǎo)機(jī)理：電子+聲子。

6、 λe/ λL≈30,12,純金屬：電子熱導(dǎo)。（導(dǎo)電）,合金/半導(dǎo)體/半金屬：電子+聲子,小結(jié)：各類材料的熱傳導(dǎo)機(jī)理,絕緣體：聲子,高分子材料：分子間的聲子熱傳導(dǎo)。,無(wú)機(jī)非金屬材料：主要為聲子熱導(dǎo)。,熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都很低，通常用作絕熱材料。,13,1. 溫度,12.4.3 影響熱導(dǎo)率的因素,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，

7、λ增大。,熱導(dǎo)率與溫度T成反比下降；,溫度很低：(熱容)熱導(dǎo)率λ∝T3；,,,16,2. 結(jié)構(gòu)的影響,晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜， 晶格振動(dòng)偏離非線性越大，熱導(dǎo)率越低。,晶向不同，熱傳導(dǎo)系數(shù)不同。如：石墨、BN為層狀結(jié)構(gòu)， 層內(nèi)比層間的大4倍， 在空間技術(shù)中用于屏蔽材料。,17,,晶界多、缺陷多，對(duì)聲子散射大。,2 結(jié)構(gòu)的影響,同一種物質(zhì)： 多晶體的熱導(dǎo)率總比單晶小

8、。,,多晶體熱導(dǎo)率比單晶小。,19,無(wú)機(jī)非金屬材料,非晶體;含氣孔的不密實(shí)材料;,氣孔導(dǎo)熱占一定比例，隨溫度的上升，熱導(dǎo)率略有增大。,20,非晶體的熱導(dǎo)率：,非晶體的聲子熱導(dǎo)率在各溫度下都比晶體??； 兩者在高溫下比較接近； 重大區(qū)別：晶體有一峰值。,21,線性簡(jiǎn)諧振動(dòng)→幾乎無(wú)熱阻; 非線性振動(dòng)→熱阻大; 晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。,,,物質(zhì)組分原子量之差越小，質(zhì)點(diǎn)的原子量越小，密度越小，

9、德拜溫度越大；（輕元素、結(jié)合能大）,熱導(dǎo)率越大,3. 成分的影響,22,單質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù); 金剛石的熱導(dǎo)率比任何其他材料都大，常用于固體器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能輸出大功率。,較低原子量的正離子 形成的氧化物和碳化物 具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)， 如: BeO,SiC.,23,雜質(zhì)的影響顯著。,化學(xué)組成復(fù)雜的固體熱導(dǎo)率小。,24,(4)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,兩相：連續(xù)相（基體）(λc)和分散相(λd)：,Vd

10、為分散相的體積分?jǐn)?shù) 。,陶瓷:晶?！稚⑾啵Ы?玻璃相)—連續(xù)相， 可由上式計(jì)算熱導(dǎo)率。,25,氣孔熱導(dǎo)率≈0，氣孔率大—熱導(dǎo)率小。,P為氣孔的體積分?jǐn)?shù)。,(5) 氣孔,高溫、大氣孔：氣孔內(nèi)氣體流動(dòng)→λ↑.,26,12.4.4 材料熱傳導(dǎo)性能的應(yīng)用,高導(dǎo)熱材料：器皿，器件 ，溫度傳感器 。絕熱保溫材料：建筑墻體 ：多層、顆粒復(fù)合、泡沫、多孔、中空結(jié)構(gòu)。,27,熱應(yīng)力：高溫下，未改變外力作用狀態(tài)時(shí)，

11、 僅因熱沖擊而在材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。,多相復(fù)合材料：各相膨脹或收縮的相互牽制；,各相同性材料：溫度梯度。,12.5 熱穩(wěn)定性,熱穩(wěn)定性（thermal stability）， 又稱為抗熱震性，熱抗震性；材料承受溫度 瞬變 而不破壞的能力。,28,熱穩(wěn)定性有2種類型：,熱震斷裂 （熱應(yīng)力斷裂）：熱沖擊+瞬時(shí)斷裂；,熱（應(yīng)力）損傷：熱沖擊+循環(huán)；開(kāi)裂、剝落、 碎裂、變質(zhì)。,機(jī)械外

12、力+熱應(yīng)力√+溫度：力學(xué)性能+熱學(xué)性能；,熱彈性理論：斷裂力學(xué)理論；,29,1. 材料的熱應(yīng)力斷裂(熱震斷裂),急劇受熱和冷卻：第一抗熱應(yīng)力斷裂因子R1（R)：,α：熱膨脹系數(shù),R1越大，材料能承受的溫度變化越大， 熱穩(wěn)定性越好．,△Tc：熱震斷裂的 臨界溫度 。,30,慢速受熱和冷卻：第二抗熱應(yīng)力斷裂因子R2 （R′) ：,λ：熱導(dǎo)率,1. 材料的熱應(yīng)力斷裂(熱

13、震斷裂),材料的熱導(dǎo)率λ越大，傳熱越快， 散熱越好，熱穩(wěn)定性越高。,A：常數(shù)（構(gòu)件形狀/熱處理?xiàng)l件）,31,恒定速率加熱或冷卻：第三抗熱應(yīng)力斷裂因子R3 （R〞),ρ:密度(kg/m3)，Cp：定壓熱容。,R3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),32,2. 材料的熱應(yīng)力損傷(熱損傷）,斷裂力學(xué)觀點(diǎn):應(yīng)變能-斷裂能；當(dāng)彈性應(yīng)變能小或斷裂

14、表面能γ大時(shí)， 裂紋不易擴(kuò)展，熱穩(wěn)定性好．抗熱損傷性：正比于斷裂表面能， 反比于彈性應(yīng)變能釋放率。,瞬時(shí)不斷裂：微孔材料、非均質(zhì)金屬陶瓷;陶瓷：微裂紋+氣孔；微裂紋被微孔/晶界等釘扎。,考慮問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn):阻止微裂紋的擴(kuò)展。,33,2. 材料的熱應(yīng)力損傷(熱損傷）,第四抗熱應(yīng)力損傷因子R4 彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)。,第五抗熱應(yīng)力損傷因子R5

15、 彈性應(yīng)變能+斷裂表面能。,34,3. 抗熱震斷裂，抗熱損傷 對(duì)材料性能的要求相反；,抗熱損傷：高E/γ/KIc；低σf；阻止裂紋擴(kuò)展， 疏松材料,抗熱震斷裂：高強(qiáng)度σf/ λ低E阻止裂紋萌生/致密材料,耐火磚(氣孔),抗熱沖擊損傷性↑,↓強(qiáng)度，↓熱導(dǎo)率，↓ R1,R2。,,,35,4. 實(shí)際材料的熱穩(wěn)定性,高分子材料：熱穩(wěn)定性較差。一般≤200℃；新開(kāi)發(fā)在300-

16、400℃；,金屬材料：熱穩(wěn)定性較好。一般強(qiáng)度和熱導(dǎo)率較大，熔點(diǎn)高。無(wú)機(jī)非金屬材料：一般強(qiáng)度和彈性模量都大，熱導(dǎo)率中等，易產(chǎn)生熱應(yīng)力斷裂；熔點(diǎn)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．,36,5.影響抗熱震的主要因素,材料特性：熱膨脹系數(shù)α、導(dǎo)熱系數(shù)λ、 彈性模量E、材料固有強(qiáng)度σf 、斷裂韌性KIc等。α越小，溫度應(yīng)力小，抗熱震性越好；λ大，溫差越小，熱應(yīng)力越小，抗熱震性好；σf 越高，承受熱應(yīng)

17、力越大，抗熱震性好；E 越小——通過(guò)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.影響抗熱震的主要因素,陶瓷： 組織疏松 + 一定氣孔率 + 適當(dāng)?shù)奈⒘鸭y→→提高斷裂能，抗熱沖擊。形狀相對(duì)簡(jiǎn)單、外形均勻構(gòu)件：抗熱震性好。,綜合考慮：熱容、熱膨脹、 熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度 等。,38,6.抗熱震性能的表述或測(cè)試,最大溫差：試樣表面