无机材料物理性能第3讲.ppt

第三章,无机材料热学性能,无机材料的晶格热振动,材料的各种热性能的物理本质，均与晶格热震动有关。 晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着衡位置作微小震动，称为晶格热震动。 内部各质点热运动动能之和，称为物体的热量。,无机材料的热容,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,平均热容（注意适用温度范围）,摩尔热容,恒压热容,恒容热容,无机材料的热容,一般有 Cp Cv， Cp测定简单，Cv更有理论意义。,无机材料的热容,晶态固体热容的经验定律,元素热容定律-杜隆-珀替定律,化合物定律-柯普定律,但轻元素原子热容需改用以下值,成功之处： 高温下与试验结果基本符合,杜隆-珀替定律,杜隆-珀替定律,局限性： 不能说明高温下，不同温度下热容的微小差别 不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近绝对零度时，热容按T的三次方趋近与零的试验结果,德拜模型,当温度较高时，T D，Cv = 3Nk=25J/mol.K,当温度很低时，T D，有：,即：CP与T对的立方成比例，与实验结果相吻合,热容的量子理论,无机材料的热容规律,不同材料D不同，D取决于材料的键 强度，弹性模量和熔点。德拜温度约为熔点的0.20.5倍。,无机材料有大致相同的比热曲线。,无机材料的热容规律,不同温度下某些陶瓷材料的热容,无机材料的热容规律,多相复合材料的热容约等于构成该复合材料的物质的热容之和 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。,相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。 其中：一级相变Cp在相变温度突变； 二级相变Cp在相变温度附近剧烈变化,无机材料的热容规律,根据热容选材： 材料升高一度，需吸收的热量不同。吸收热量小，热损耗小，同一组成，质量不同热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉体迅速升温，同时降低热量损耗。,无机材料的热膨胀,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:,无机材料的热膨胀,某些无机材料热膨胀系数与温度的关系,前面我们用原子的间谐振动解释了固体的比热问题，但晶体的另一些热学性能如热膨胀、热传导则不能用间谐振动来解释，必须考虑非间谐振动。,固体材料的热膨胀机理,固体材料的热膨胀机理,rr0时。斜率大，稍 微增大一点位移，斥 力变很大,晶体的非 线形振动,rr0时。斜率较小， 引力随位移的增大要 慢些,产生线膨胀的原因不是简谐振动，而是因为原子间的受力是不均衡的。质点在平衡位置两侧，受力不对称：,热膨胀性能与其它性能的关系,a)热膨胀和结合能、熔点的关系： 结合能高，也高 b)热膨胀与T、热容的关系： 温度高，l大，热容有相似的规律 c)热膨胀与结构的关系 d)压力和应力对热膨胀的影响,膨胀系数和键强的关系,热膨胀性能与其它性能的关系,a)热膨胀和结合能、熔点的关系： 结合能高，小。 b)热膨胀与T、热容的关系： 温度高，l大，热容有相似的规律 c)热膨胀与结构的关系 d)相变对热膨胀的影响,无机材料的平均热膨胀系数,纯金属的平均线膨胀系数10-6 （0100 0C）,热膨胀与结合能、熔点的关,结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。,热膨胀与结构的关, 结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小 对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致膨胀系数较大，约在6810-6/ 0C，升高到德拜特征温度时，增加到 101510-6/ 0C。 如：MgO、 BeO、 Al2O3、 MgAl2O4、BeAl2O4都具有相当大的膨胀系数。 固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅加大，原子间距离增加时，部分的被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀就小。 如：石英 1210-6 /K ，石英玻璃0.510-6/K,晶体的各向异性膨胀,各层间的结合力不同引起热膨胀不同。,多晶和复合材料的热膨胀,无机材料都是多晶体或由几种晶体和玻璃相组成的复合体。 各向异性的多晶体或复合材料，由于其中各部分的有所不同，而在烧成后的冷却过程中会产生内应力，而导致热膨胀。,陶瓷制品表面釉的膨胀,无限大的上釉陶瓷平板样品应力计算：,热膨胀性质的应用,1.陶瓷材料的坯、釉适应性：,釉略小于坯， 制品强度高,如果：釉坯， 釉裂,如果：釉坯， 釉层剥落,2. 陶瓷材料与其他材料复合： 例如：电子管中，陶瓷与金属封接等。 要求：1、陶瓷与焊料结合能； 2、与金属热膨胀系数接近。,热膨胀性质的应用,无机材料的热传导,定义 在材料中热量由高温区域向低温区域传递的现象就称为热传导。其能力用热导率(Thermalconductivity）来衡量。,无机材料的热传导,热流密度： 单位时间，通过单位横截面积的热流量。,无机材料的热传导,定义,即为导热系数，显然其物理含义是: 单位温度梯度下，单位时间内通过 单位垂直面积的热量。,稳定状态下,固体材料热传导的微观机理,思考：,气体中，可由分子的自由运动而传热；金属中则可由大量的自由电子的运动而传热；在无机非金属材料中，以什么样的机理传热？,无机非金属材料中，主要是格波传热。 格波分声频支与光频支，它们在传热过程中所起的作用是不同的。,固体材料热传导的微观机理,微观机理,声子和声子导热,格波的传播看成是质点-声子的运动； 格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞； 格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为 声子同晶体质点的碰撞； 理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。 晶体中，热传导的实质就是碰撞。,声频波的量子,光频波的量子,光子,声子,微观机理,固体热能传递,固体热能传递：声子+电子,= 1 +e,1 ：声子热导率,e ：电子热导率,微观机理,固体热能传递,e 1 e：20400 W/m.K; 导热、导电主要载流子均为电子。 魏德曼费兰兹定律：,1.高纯金属热导率：,L：洛伦兹常数,微观机理,固体热能传递,2.非金属热导率： 1 e 声子导热为主。传递过程中格波易受晶格散射，传递效率远低于金属：陶瓷、高聚物为热的不良导体。 一般：陶瓷：250 W/m.K 高聚物：0.3 W/m.K 无定形陶瓷、玻璃结晶陶瓷,影响导热导率的因素,温度的影响 显微结构的影响 化学组成的影响 气孔的影响,无机材料的热稳定性,热稳定性（抗热振性）： 材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。 由于温度变化而引起的应力称为热应力。 抗热冲击断裂性 它是指在非正常热传导的急冷或急热的情况下，物体内温度梯度和冲击热应力促使材料失去延性而产生脆性破坏。相应的抵抗能力称为。 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。相应的抵抗能力称为。,耐火材料 ： 1123K； 40min ； 283293K； 3min（流水）或510min（空气） 3 . 试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。,构件的热膨胀或收缩受到约束时造成应力; 相连接的两个构件存在温度差，构件间相互约束造成热应力; 构件存在温度梯度，其间各部分相互约束，钢化玻璃; 不同材料的组合和约束造成热应力。,热应力的产生,热应力的产生,热应力的计算,薄板的热应力图,热应力的计算,解得：,热应力的计算,当t=0时，,若它恰好达到材料强度，则会出现开裂破坏，求得：,对于非薄板材料：,抗热冲击断裂性能,第一热应力抵抗因子,只要材料中最大热应力值max不超过材料的强度极限c，材料就不会破坏。显然，Tmax越大，则材料的热稳定性越好。,定义：,为第一热应力断裂抵抗因子( )。,抗热冲击断裂性能,材料是否出现断裂，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、 驰豫性) 原先存在的裂纹、缺陷,抗热冲击断裂性能,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，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。,抗热冲击断裂性能,定义： = h rm， 式中:毕奥模数; h表面热传导系数; r