课件：热学性能.ppt

由于材料及其制品都是在一定的温度环境下使用的，在使用过程中，将对不同的温度作出反映，表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的热学性能。,材料热学性能,材料热学性能主要有热容、热膨胀、热传导、热稳定性等。,材料热学性能研究的意义,另一方面，材料的组织结构发生变化时常伴随一定的热效应，因此，在研究热函与温度的关系中可以确定热容和潜热的变化。热性能分析已成为材料科学研究中重要手段之一，特别是对于确定临界点并判断材料的相变特征时有重要意义。,晶格热振动是三维的。在三维方向上各质点热运动时动能的总和，即为该材料的热量。,我们研究材料的热学性能就是此种热量的不同表现形式。,材料的各种热性能的物理本质，均与晶格振动有关。材料是由晶体及非晶体组成的。晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产生热量。这种振动称为晶格热振动。晶格热振动以格波的形式在材料内传播。,材料热学性能的物理本质,材料热学性能的物理本质,一维双原子点阵中的格波,主要内容,材料的热容及检测 材料的热膨胀性能及检测 材料的的热传导及热导率检测 材料的热稳定性及表示方法 材料的热电性能及热电动势检测,材料的热容,热容定义 热容是使材料温度升高1K所需的能量，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，不同温度下，热容不同,热容的分类,比热容,平均比热容,摩尔热容,恒压热容,恒容热容,晶态固体热容的经验定律,化合物热容定律奈曼-柯普定律,爱因斯坦模型 德拜热容模型,晶态固体热容的量子理论,晶态固体热容的量子理论,以上有关热容的量子理论，对于原子晶体和一部分较简单的离子晶体，如Al、Ag、C、KCl、Al2O3，在较宽广的温度范围内都与实验结果符合得很好，但并不完全适用于其他化合物。因为较复杂的分子结构往往会有各种高频振动耦合。至于多晶、多相体系材料情况还复杂得多。,无机非金属材料的热容，符合德拜热容理论，即在高于德拜温度D时，热容趋于常数25J/Kmol，低于D时与T3呈正比。不同的无机材料D是不同的，,无机材料的热容特点,石墨为1973K， BeO为1173K， Al2O3为923K等。,D取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。,如：,对于绝大多数氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值增加到似于25J/Kmol的数值，进一步增加温度，热容基本上没有什么变化。,无机材料的热容特点,不同温度下某些陶瓷材料的热容,无机材料的热容特点,无机材料的热容与材料的结构无明显的关系,无机材料有大致相同的热容曲线,无机材料的热容特点,在较高温度下，固体的摩尔热容约等于构成该固体化合物的各元素的原子热容的总和 C = niCi 式中， ni：化合物中元素i的原子数， ci ：化合物中元素i的摩尔热容,无机材料的热容特点,无机材料的热容特点,多相复合材料的比热容约等于构成该复合材料的物质的比热容之和 c = gici 式中， gi：材料中第i种组成的重量百分数， ci：材料中第i种组成的比热容。,材料的热膨胀,热膨胀,物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象,不同物质的热膨胀特性是不同的，有的物质随温度变化有较大的体积变化，而另一些物质则相反。即使是同一种物质，由于晶体结构不同，也将有不同的热膨胀性能。,材料的热膨胀,热膨胀系数,线膨胀系数：,体膨胀系数：,线膨胀系数与体膨胀系数的关系:,l:温度升高1K时，物体的相对伸长,实际上，固体材料的l值并不是一个常数，而是随着温度稍有变化，在工业上，一般用平均线膨胀系数表示材料的热膨胀特性。假定试样在温度T0时的长度为l0，升高到温度T，长度变为l，则试样在T0T范围内的平均线膨胀系数定义为：,材料的热膨胀,热膨胀和其它性能的关系,1. 热膨胀与热容的关系,：格林爱森常数，1.52.5,热膨胀和其它性能的关系,2热膨胀和结合能、熔点的关系,3热膨胀和结构的关系,石英晶体膨胀系数: 1210-6/K， 石英玻璃的膨胀系数: 0.510-6/K。,热膨胀和其它性能的关系,4热膨胀随温度不同而不同,一般随温度升高热膨胀系数增大。,5. 材料的热膨胀直接与热稳定性有关,一般，线膨胀系数小的，热稳定性就好。Si3N4的l=2.710-6/K，在陶瓷材料中是偏低的，因此，热稳定性也好。,材料的热膨胀,某些无机材料热膨胀系数与温度的关系,测定无机非金属材料热膨胀系数常用： 千分表式膨胀仪、 杠杆式式膨胀仪 光干涉膨胀仪等,热膨胀系数的检测,根据试样的伸长量就可计算出线膨胀系数。 L/L0= alT 试样规格为直径3-8mm，长度10-20mm的圆棒。,一热传导及导热率,热传导：,温度梯度：,沿热流方向，每单位长度的温度变化；温度梯度为矢量，其方向沿热流指向温度升高方向。,当材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端的现象称为热传导。,材料的热传导,热流密度(q)：,单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量,2019/4/20,27,可编辑,材料的热传导,导热系数的物理意义： 单位温度梯度下，单位时间内，通过单位截面积的热量。,单位为：W.m-1.K-1,对稳定传热过程：,q=-dT/dx,材料的热传导,假如是不稳定传热过程，材料体内单位面积上温度随时间的变化率为：,式中：为密度，Cp为恒压热容。,不同材料常温下的热导率（W.m-1.K-1）,固体材料热传导的微观机理,对于金属材料，由于有大量自由电子的存在，所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一般都具有较大的热导率。,对于非金属材料，晶格中自由电子极少，所以晶格振动是它们的主要导热机构。,固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现。,影响热导率的因素,温度的影响 显微结构的影响 化学组成的影响 气孔的影响,温度的影响,热导率随温度的变化,很低温度下，近似与T3成比例的变化。,温度升高，l减小，成了主要影响因素，随温度升高而迅速减小，在某个低温处，出现极大值。,在更高的温度，Cv基本无变化，l值也逐渐趋于下限，所以随温度的变化，又变得缓和了。当达到1600K时，由于辐射传热，又有所升高,显微结构的影响,晶体结构愈复杂，格波受到的散射愈大，声子的平均自由程l愈小，热导率愈低。 例如：尖晶石的热导率比Al2O3和MgO的热导率都低，莫来石的结构更复杂，其热导率比尖晶石还低得多。,1. 晶体结构的影响,对于非等轴晶系的晶体，热导率也存在着各向异性的性质。 例如：石英、金红石、石墨等都是在膨胀系数低的方向热导率最大。 温度升高时，不同方向的热导率差异减小。这是因为温度升高，晶体的结构总 是趋于更好的对称。,2. 各向异性晶体的热导率,显微结构的影响,3. 多晶体与单晶体的热导率,对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶小，由于多晶体中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声于更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以热导率小。,显微结构的影响,显微结构的影响,4. 非晶体的热导率,非晶体导热系数曲线,显微结构的影响,晶体和非晶体材料的导热系数曲线,显微结构的影响,化学组成的影响,不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。,一般说来，质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率愈大。这样，轻元素的固体和结合能大的固体热导率较大。,这是因为构成晶体的质点的大小、性质不同，它们的晶格振动状态不同，传导热量的能力也就不同。,如：金刚石=1.710-2W/(m.K) 硅、锗的热导率分别为1.010-2W/(m.K)和0.510-2W/(m.K),气孔的影响,无机材料常含有一定量的气孔，气孔对热导率的影响是复杂的 一般在温度不是很高，而且气孔率也不大，又均匀地分散在陶瓷介质时，这样的气孔就可看作为一分散相 因为气孔的热导率很小，与固体的热导率相比可近似看作零，因此可得到,s为固相热导率；P为气孔的体积分数,=s(1-P),气孔的影响,对于粉末和纤维材料其热导率比烧结状态时又低得多，这是因为气孔形成了连续相，因此材料的热导率就在很大程度上受气孔相的热导率所影响。这也是通常粉末、多孔和纤维类材料有良好的热绝缘性能的原因。,材料的热稳定性,定义 材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。 抗热冲击断裂性 材料抵抗瞬时断裂的能力 抗热冲击损伤性 热损伤可导致材料的表面开裂、剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。,抗热冲击断裂性,材料是否出现热应力断裂，固然与热应力max密切相关，但还要考虑如下因素:,材料中的应力分布 产生的速率和持续时间 材料的特性(如塑性、均匀性) 原先存在的裂纹、缺陷,抗热冲击断裂性,热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般有如下规律:,热导率越高，传热越快，热应力持续一定时间后很快缓解，有利于热稳定; 传热途径(通道)短，易使材料中的温度均匀; 表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 热应力就高， 就越不利于热稳定性。,表面热传递系数h材料表面温度比周围环境温度高1K时在单位面积单位时间带走的热量。,抗热冲击断裂性,定义： = h rm/， 式中:毕奥模数; h表面热传导系数; rm材料的半厚。 显然， 大对热稳定不利,抗热冲击断裂性,在材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样，瞬时产生最大应力max ，而是由于散热，使max滞后发生，且数值也大为折减。,材料所能承受的最大温差可表示为:,第二热应力断裂抵抗因子,J/(cms),抗热冲击损伤性,抗热冲击断裂是从热弹性力学的观点出发，以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料就产生开裂，一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。这样导出的结果对于一般的玻璃、陶瓷和电子陶瓷等都能适用。但是对于一些含有微孔的材料和非均质的金属陶瓷等却不适用。,抗热冲击损伤性,这些材料在热冲击下产生裂纹时，即使裂纹是从表面开始，在裂纹的瞬时扩张过程中也可能被微孔、晶界或金属相所阻止，而不致引起材料的完全断裂。 比如在一些筑炉用的耐火砖中，往往含有10-20气孔率时反而具有最好的抗热冲击损伤性，而气孔的存在是会降低材料的强度和热导率的。因此，R和R值都要减小。这一现象按强度-应力理论就不能解释。 实际上，凡是以热冲击损伤为主的热冲击破坏都是如此。,抗热冲击损伤性,这时就必须从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据。 通常在实际材料中部存在一定大小、数量的微裂纹，在热冲击情况下，这些裂纹产生、扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表