4-2 材料的热学性能.ppt

4 2材料的热性能ThermalPerformanceofMaterials Thermal physicalpropertiesthermalconductivityheatcapacitythermalexpensionheatresistanceThermal chemicalpropertiesthermalStabilityflameretardancy Chapter17 4 2材料的热性能 thermalperformance 热导率热物理性能 比热容热膨胀耐热性热化学性能 热稳定性燃烧特性 4 2 1材料的热学性质 thermalproperty 1 热传递三种方式 热传导 热辐射 热对流 热传导 基本的传递方式A自由电子 金属 B晶格振动 离子和共价晶体 陶瓷 C分子传导 高分子 小分子气体 液体 热流量q dT dX 两平面稳态热流量 与时间无关 q At T1 T2 d式中A为平板面积 为热导率 t热传导的时间非稳态 CP 式中 为热扩散系数 m2 s 1 CP为比热容 为密度 2 热导率 thermalconductivity 定义 单位温度梯度下 单位时间内通过单位垂直面积上的热量 q dT dX J s 1 m 1 K 1或W m 1 K 1金属 高自由电子无机非金属 中晶格热振动高分子 很小 0 1 0 4之间 银最高427合金40金刚石30玻璃1 合金 孔隙结晶 温度 表4 2 1某些材料的热导率和比热容 4 28有一块面积为0 25m2 厚度为10mm的钢板热导率为51 9W m K 两表面的温度分别为300 和100 试计算该钢板每小时损失的热量 Q A T1 T2 d 51 9 0 25 300 100 0 01 259 5KWQ 259 5 3600 934 2MJ 3 比热容 CP 或CVSpecificheat材料对热量的吸收能力热容 heatcapacity 将一摩尔材料的温度升高一度所需的能量 没有相变或化学反应 单位为J mol K 体积恒定 所吸收的热量等于内能的增量等容热容内能对温度的曲线上的斜率恒压 所吸收的热量等于焓的增量 等压热容 焓对温度的曲线上的斜率固体多用CP J mol 1 K 1 Cp Cv 绝对零度时CP CV 0RT相近 固体热容理论原子的振动 晶格的振动经典理论谐振子量子理论随机振动德拜模型晶体中原子的相互作用 弹性波的振动 声波 Cv 3RfD D T D 德拜温度 材料参数 简单晶体 德拜比热函数 FIGURE17 1Schematicrepresentationofthegenerationoflatticewavesinacrystalbymeansofatomicvibrations 比热 容 热容 原子量 J Kg 1 K 1定义 1Kg质量的固体 或液体 升高 或降低 1 C时 所增加 或减少 的 振动能量 热量比热容与材料的组成和结构金属CP 1KJ Kg 1 K 1 热容小 容易加热 容易冷却自由电子的贡献很小 无机非金属 同上 更符合德拜模型高分子CP1 0 3 0KJ Kg 1 K 1 热容大不同的运动单元原子 基团 链段分子链柔顺性温度的升高是由于分子间内摩擦引起的 柔性链 运动单元小内摩擦小 T上升慢 热容量大 高弹态 玻璃态 比热容与温度 T D Cv 3RT D Cv 12R 4 T D 3 5 FIGURE17 2Thetemperaturedependenceoftheheatcapacityatconstantvolume DistheDebyetemperature Chapter17 比热容与相变DSC 示差扫描量热仪DTA 差热分析TgCp发生突变 一级相变二级相变 4 2 2热膨胀性 ThermalExpension 1 热膨胀材料的体积或长度随温度升高而增大的现象原因 原子或分子的热运动晶体 原子在晶格内平衡位置附近振动 T 振幅 原子平均间距非晶体 原子的振动和转变 高分子沿主链振动 链节 链段 转动 自由体积 运动的空间 FIGURE17 3 a Plotofpotentialenergyversusinteratomicdistance demonstratingtheincreaseininteratomicseparationwithrisingtemperature Withheating theinteratomicseparationincreasesfromr0tor1tor2 andsoon b Forasymmetricpotentialenergy versus interatomicdistancecurve thereisnoincreaseininteratomicseparationwithrisingtemperature i e r1r2r3 2 热膨胀类型 coefficientofthermalexpansion CTE线膨胀 l 1 l dl dT体膨胀 V 1 V dV dT影响因素 温度T升高 增大 结构键能大 减小无机材料 小 10 5 10 6金属中 1 3 10 5高分子大 2 5 25 10 5取向交联度 减小晶格类型 结晶度柔顺性刚性 柔性 表4 2 2各种材料的线膨胀系数 4 2 3耐热性 HeatResistance 1 概念 耐热性 指在受负荷下 材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度 材料的使用上限温度高分子材料常温及中温条件下使用 500 C 一般170 C 钢 550 C 合金 900 C 石墨 3000 C 陶瓷 2000 C 2 耐热性表征 高分子材料 物理状态Tg无定形Tm结晶工业表征方法及指标 马丁耐热温度热变形温度维卡软化温度 第四章 屈服脆韧转变 FIGURE7 25Schematictensilestress straincurveforasemicrystallinepolymer Specimencontoursatseveralstagesofdeformationareincluded Chapter7 3 影响因素 结构因素 刚性链结晶交联 分子量 增塑剂 填料 纤维增强 4 2 4热稳定性 thermalStability 1 表征方法起始分解温度 Td 聚合物化学结合 结构 开始发生变化的温度常采用相对标准 1 半分解温度 2 热失重曲线 TG 比较曲线给定温度下的失重给定失重的温度起始分解温度 外推 3 DSC和DTA 热焓的变化 不可逆 2 热稳定性与结构的关系k Ae E RT 3 热分解机理 1 只受热 惰性气体 或真空中 大分子链成自由基 开链 单体 PMMA随机断链 2 热氧分解氧 环境 参加分解快 4 2 5燃烧特性Flammability 有机材料 有机聚合物 含C H元素 1 高分子材料引燃和燃烧ignitionandburning燃烧 较高温度下与氧剧烈反应 并发出热和光 引燃过程 外部热原分解固体材料的表面层 产生可燃气化物 与空气混合 致燃烧燃烧过程 材料不断热分解 始终在表面空气中燃烧 无残渣 条件 温度 氧气 空气 放热反应 2 材料的燃烧特性 燃烧速度燃烧反应放热值3 临界氧指数LimitingOxygenIndex LOI 能够维持稳定燃烧的最小氧浓度 0 27的聚合物是有自熄性self extinguish 1 仅由C H O元素组成 临界氧指数为0 16 0 18 2 含卤族元素 F