第四章 材料的热学性能与检测.ppt.ppt

材料性能与检测,中国地质大学材化学院,2008年10月27日,第十讲,材料热学性能及检测,第四章,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,工业中的应用 在空间科学技术中的应用 在能源科学技术中的应用,热敏元件,标准电容,封装材料,工业炉衬,航天飞机,燃气轮机叶片,集成电路,神“七”宇宙飞船,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 材料的热膨胀及检测 材料的的热传导及检测 材料的热稳定性及表示方法,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,元素热容定律-杜隆-珀替定律 恒压下,元素的原子热容为:,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：,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,单位体积的热容与气孔率有关,多孔材料因为质量轻，所以热容小，因此提高轻质隔热砖的温度所需要热量远低于致密的耐火砖。,一般情况下，热容由实验测定，,cp = a + bt + ct-2 + ,cp单位4.18j/kmol，某些无机材料的a、b、c系数及它的应用温度范围见表。,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。,热容与比热容的测定,在材料的热容研究中，通常检测的是比热容，即在一定温度条件下，单位质量材料温度升高1时所需的热量。常用单位j/gk或j/kg.k。测定材料比热的方法很多： 混合法、 电热法、 撕克司法、 史密斯法,一 混合法,c量热器筒（铜制） t曲管温度计p搅拌器 j套筒 g保温玻璃棉,热平衡原理：温度不同的物体混合之后，热量将由高温物体传给低温物体。如果在混合过程中和外界没有热交换，最后达到均匀稳定的平衡温度，在此过程中，高温物体放出的热量等于低温物体所吸收的热量，称为热平衡原理,原理：热平衡原理,一 混合法,一 混合法,m待测试样质量 t2 待测试样温度 m0 水的质量 c0水的比热容 q量热器的热容 t1待测物投人水中之前的水温 t3在待测物投人水中以后的混合温度,一 混合法,量热器的热容q可以根据其质量和比热容算出,设量热器筒和搅拌器由相同的物质（铜） 制成，其质量为m1，比热容为c1 v温度计插人水中部分的体积，单位cm3 1.9v为温度计插入水中的部分热容，单位为j/k,q=m1c1+1.9v,一 混合法,也可以用混合法测量量热器的热容q，即先将量热器中加入m0的水，它和量热器的温度为t1，其次将质量为m0”，温度为t2的温水迅速倒人量热器中，搅拌后的混合温度为t3，则可得,二 电热法,二 电热法,vit=(mc+m0c0+m1c1+q1+q2)(t2-t1),m被测量物质量 c被测量物比热容 m0量热器中水的质量 c0水的比热容 m1量热器质量 c1量热器比热容 q1加热器热容 q2 温度计插入水中部分热容,1试样；2箱体；3电阻丝,三 撕克司法,撒克司法是高温下测量比热容的方法,三 撕克司法,w=dq/dt电阻丝3的加热功率； m试样质量； dts/dt试样的温度变化速率,将试样温度变化速度用箱子温度变化速度来代替:,四 斯密特法,斯密持法用于测量金属及合金的比热容与转变潜热。,四 斯密特法,cb容器的比热容 mb容器的质量 b/tb容器由温度加热到+b的加热速度,当把试样放人容器后，为了保持同样的和 ，则需要用另一个速度加热装有试样的容器，亦即容器装入试样后的s和ts与b和tb不同。,四 斯密特法,cs和ms分别为试样的比热容及质量,如容器的cb和mb已知，则利用上式即可求得cs。为此采用具有已知热容的标准样求出cbmb的乘积,cr和mr分别为标准样的比热容及质量,四 斯密特法,t/ 为试样或标准加热速度的倒数。标准样的比热容为已知，则在具有固定的容器壁温度梯度时，量出容器、带有试样的容器及带有标准样的容器的加热速度，便可确定出比热容。,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,某些单质的平均线膨胀系数(0100),材料的热膨胀,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,rr0时。斜率较小，引力随位移的增大要慢些,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，如硅灰石。,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。,千分表式膨胀仪,1千分表 2石英顶杆 3加热炉 4试样 5石英套管 6冷却水套 7热电偶,杠杆式膨胀仪,1试样 2加热炉 3石英套管 4石英顶杆 5杠杆机构 6转筒 7温度记录仪 8热电偶,u杠杆放大倍数,光干涉膨胀仪,光干涉膨胀仪是用光的波长为尺度来测量试样热膨胀量的方法，可见光的波长为10-1微米量级，因而干涉法具有较高的精度。但对装置的设计和制造也提出了苛刻的要求。,对非金属矿物及岩石、蛭石和珍珠岩，它们的热膨胀都具有特殊的含义和作用：即在一定温度下焙烧，它们的体积将成数倍或数十倍的膨胀。这种膨胀特性和它们的含水状态直接相关，是水汽化撑开晶体结构层或造成岩石中无数细小气孔所致。这种特性是这些材料能用于保温绝热和轻质材料的主要原因，就此提出膨胀倍的概念，即体积膨胀的倍数。,膨胀倍的检测,膨胀倍测定方法,将试样破碎到一定粒度，在一定温度下预热，目的是控制试样水分含量，然后在一定温度下焙烧一定时间，测量其焙烧前后体积之比，则得到实验室膨胀倍。 如蛭石膨胀倍的测定：,b. 用量筒取试样8ml，均匀地撒在耐高温的合金钢盘中，在300-380 的马福炉中预热15分钟（珍珠岩400-500 ）。取出装入纸袋，置于干燥器中备用。（2-3份）；,a. 制样、研磨、筛分：-30-+80目；,c. 将高温炉升至930 左右，将钢盘放入炉内至温度稳定时取出，即刻将预热样快速均匀地撒布在钢盘内，放入炉内50秒左右取出，将膨胀后的样倒入瓷盘内；,膨胀倍测定方法,e. 计算 k=v/8 实际膨胀倍k0的换算 k0=5.5（k-1）,d. 将焙烧后的蛭石用磁铁吸去铁屑，倒入量筒，读取其体积数；,思考题,1、试举例说明无机材料的热容有什么特点？ 2、混合法测量比热容实验的理论依据是什么?混合法测量比热容实验中有哪些因素会引起系统误差?测量时应怎样才能减小实验误差? 3、试举例说明材料的热膨胀性能与其他性能有什么联系？ 4、试比较千分表式膨胀仪、杠杆式膨胀仪与光干涉膨胀仪的优缺点？,谢谢！,材料性能与检测,中国地质大学材化学院,2007年10月11日,第十讲,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,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。,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。,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,固体材料热传导的微观机理,声子和声子导热,气体的热传导公式为：,声频支声子的速度与频率无关，但热容与自由程却与频率有关，故固体热导率的普遍形式为：,声子和声子导热,声子的平均自由程：,声子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减少,晶体中的各种缺陷、杂质以及晶格界面都会引起格波的散射，也等效于声子的平均自由程减小,平均自由程还与声子振动频率有关,平均自由程还与温度有关,光子导热,固体中分子、原子、电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出电磁波，具有较强热效应的波长在0.440m间(相当于红外、近红外光区)。热射线的传递称为热辐射，在温度不太高时，黑体单位体积的辐射能为：,故有,从而有,斯蒂芬玻尔兹曼常数,光子导热,一般的表达式仍然是：,定性解释：任何黑体都会辐射出能量，也会接受能量。温度高的单元体中，放出的能量多，而吸收的能量少，而温度低的单元体中，放出的能量少，而吸收的能量多。结果：热量从高温处流向了低温处。,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,1.金属,金属以电子导热为主，一般说来，纯金属由于温度升高而使平均自由程减小的作用超过温度的直接作用，因此，纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。,声子的平均自由程l随温度升高而降低。实验指出，l随温度的变化规律是：低温下l值的上限为晶粒的线度；高温下l值的下限为晶格间距。,在温度不太高的范围内，主要是声子传导,v通常可以看作是常数,温度的影响,2.无机非金属材料,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),氧化物和碳化物中阳离子的相对 原子质量与热导率的关系,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,气孔率对al2o3陶瓷热导率的影响,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。,某些无机材料的热导率,热导率的测定,测定热导率的方法很多，大致可分为：,稳定热流法,非稳定热流法,稳定热流法：,是指通过试样的热流在数值和方向上不随时间而变化，即温度场是稳定的。这类方法常用的有：平板法、圆管法、圆球法。稳定热流法原理简单，计算方便、准确度较高、但试验装置复杂、测试时间长。,热导率的测定,非稳定热流法：,是指通过试样的热流是瞬时的或不稳定的，试样的温度分布随时间而变化。非稳定热流法常用的有恒温介质中加热（或冷却）法、内热源法或热周期变化法等。非稳定热流法设备简单、操作维修方便、测试时间短。,稳定热流法,一、平板法,面积为1平方米、厚度为1米的两面互相平行的板，当板的两平面温差为1时，在1小时内通过板面的热量。,稳定热流法,(j/ks),式中：s测试板的面积 d板的厚度 t1、t2两板间的温度 q通过板面的热量 h时间,该公式的成立条件是：热流是单向由板的 一面向另一面流动，而没有平行板面的热 流动；板的周围边界无热扩散（热损失）。,平板法,稳定热流法,1平板导热仪的基本结构,平板法,平板导热仪有：单板仪和双板仪两种，它们的基本组成有加热器、冷却器、保护加热器（防止边界热损）、热电偶等。 平板导热仪的横切面积有圆形和方形，相应的试样形状也有圆板形和方板形两种。,2下面以单板仪为例说明平板仪测导热率 的方法和步骤。,稳定热流法,平板法,b. 将制备好的试样装入导热仪中，周 围空隙用绝热材料填充。检查仪器后通电加热，调节各加热器，使t3= t4，t2= t5= t6（若不能完全相等，允许差值必须小于1）；,a.制样，试样的大小随仪器不同而不同。一般=100mm、厚为10-15的圆板（或方板）。板的两面要磨光，厚度要均匀（亦可用粉末制成板）；,稳定热流法,平板法,c. 达到稳定后（温度变化1/h），每隔15-20分钟记录一次六对热电偶的温度和热量q，经小时结束。其中q=iut；,d. 计算导热率：,n记录次数 s试样面积 d试样厚度 h记录间隔时间 qj第j次的热量 t1j,t2j第j次记录的电偶温度,稳定热流法,平板法,双板测试方法与单板仪类似，只不过需两块同样大小的试样。,根据装置的形式从样品中选取两个试件，两个试件应尽可能一样，厚度差别应小于2%。,稳定热流法,二、 圆管法和圆球法,圆管法和圆球法的原理同平板法一样，也是应用一维稳定导热过程求导热率。 圆管导热仪，试样做成管状填在管状样槽中。 圆球导热仪由同心的大小两个铝球壳构成。小球外直径8cm，小球内为加热器。大球壳内直径15cm，试样填塞在大小球壳之间。,稳定热流法,圆球法,下面以石棉导热率的测试方法介绍圆球导热仪，其方法为：,a. 将试样在烘箱中105下烘2小时，取出置 于干燥箱中备用；,b. 称取500克干燥后的石棉，逐层填塞于圆 球导热仪大小球之间，并压紧压实（若装 填不完，剩下的石棉要称重，根据导热仪 中石棉的量计算装填容量）；,稳定热流法,圆球法,c. 试样装填好后，检查导热仪无故障，即可启动加热器。调节加热器，使达到所需要的温度（对石棉不超过300）。达到热稳定状态（t2的温度变化小于1/h）后，开始每隔10-15分钟记录一次时间t2和t1电偶的温度、加热器的电压u、加热器的电流强度i、经1小时结束；,稳定热流法,圆球法,d. 将记录数据代入公式，求导热率 w=iut,式中，d1、d2大球内径和小球外径 t2、t1t2和t1电偶的温度 w实测功率 i实测加热器电流强度 u实测加热器电压 t测试时间 导热率,稳定热流法,圆管法,圆管导热仪测试方法与圆球导热仪类似，其计算公式为：w=iut,式中，r1,r2圆管内、外半径（mm）,材料性能与检测,中国地质大学材化学院,2007年10月16日,第十一讲,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。,热稳定性的表示方法,由于应用场合的不同。对材料热稳定性的指标要求各异。如：,a. 日用陶瓷：只要求承受温度为 200k左右的热冲击；,b. 火箭喷嘴就要求瞬时能承受高达 3000-4000k的热冲击，而且还要 经受高气流的机械和化学作用。,热稳定性的表示方法,目前对于热稳定性虽然有一定的理论解释，但尚不完善，还不能建立反映实际材料或器件在各种场合下热稳定性的数学模型。因此，实际上对材料或制品的热稳定性评定，一般还是采用比较直观的测定方法。一般采用破坏时的温度或软化温度（耐火度），有时测定热机械强度表示。如：,热稳定性的表示方法,1 日用瓷 通常是以一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度来表征其热稳定性。,2 普通耐火材料 常将试样的一端加热到1123k并保温40分钟，然后置于283-293k的流动水中3分钟或在空气中5-10分钟，并重复这样的操作，直至试件失重20%为止，以这样操作的次数来表征材料的热稳定性。,热稳定性的表示方法,3 高温陶瓷材料 以加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率来评定它的热稳定性。,从理论上得到一些评定热稳定性的因子，对探讨材料性能的机理显然还是很有意义的。,不改变外力作用状态，材料仅因热冲击造成开裂和断裂而损坏，这必然是由于材料在温度作用下产生的内应力超过了材料的力学强度极限所致。,材料中的内应力：,热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力,e：弹性模量 :线性膨胀系数,热应力,抗热冲击断裂性,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f，材料就不会破坏。显然，tmax=t-t0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( )。,第一热应力断裂抵抗因子r的经验值,rssn：反应烧结si3n4 hpsn：热压烧结si3n4 las4：锂辉石（li2o.al2o3.4sio2）,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、驰豫性) 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