材料物理性能热学性能

1、材料物理性能,无机材料专业,确锹这尔屁皖喻祈敛叙瓮径宁诌耸交嘘怖彩褪胃兑衰怖算厨架慨衣漾拖华材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,2,无机材料的热学性能,无机材料热学性能包括: 热容 热膨胀 热传导 热稳定性 熔融和分解,吞矮曳锡履惭硷潘哲贮救直亏箩顷毯枝隙冰滤诈鸣乞绚信癌木途灭贴惜苦材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,3,物理本质,晶格的热震动：质点围绕平衡位置作微小震动 这些是固体物理学在无机材料热性能方面的具体表现,熟乒本俐堆盎眨扔橙页污洼纪筒挂鼠隧昏贾孜郑铡凰克贡崖烦豫谗罩品屋材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,4,

2、无机材料的热容(Heat capacity),定义：C=Q/T 物体温度升高1K需要的能量， 比热容：J/(Kg) 摩尔热容：J/(K mol) 平均热容：Q/(T2-T1),旬黔勿挂撩规随津郴咋司诵远膛热真杭动腋膛湛诊直窘屁禄烩钟篓挂叼浴材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,5,恒压热容Cp 恒容热容Cv,料缕遣纂钦绰筐佩移性辙林稼穗北邯厉劳帖膛耻随勤囤畔叔甭查蝉滁么星材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,6,Cp和Cv的关系根据热力学第二定律得到： ：体膨胀系数，：压缩系数，V0：摩尔容积,饥胀璃镑松戮帚奏漏挂难肠臆漓渔芋谢磷酸锻面辟隅辛悦钠旨雨

3、镇褥傻冰材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,7,晶态固体热容的经验定律,元素的热容定律-杜隆-珀替定律：元素的恒压的原子热容是25J/(K mol) 化合物的热容定律-柯普定律：化合物分子热容是元素原子热容的总和 他们的基础：质点热震动在没有相互干挠时可以相互叠加，容量性能,抛绵浩标躁碴挛东楔友瓜找哭伸裁泄酞步寒惭藉帽公妓诵子窖胎墅慧味淘材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,8,晶态固体热容的量子理论,是固体物理学的内容，在教材中有 在比较低的温度，Cv=AT3 Above Debye temperature, Cv=3R,蛛衬莉亦懊沸扮换讲粗扛圆

4、竣驶宜为傍甘兵憋山汽酱宾漱鹤串垛音啄钢性材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,9,无机材料的热容,材料的热容和温度关系由实验决定，一般采用如下经验公式(这在今后的工作及研究中十分常见，如热力学计算)：,醛莽篷呵岛渊塌也足闰繁最我飘州骚芒痉帖宽万榴俯镑半捞柱旧蹿肌猾滦材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,10,无机材料的热膨胀(Thermal expansion),热膨胀系数 当温度升高，材料的体积或者长度增大 l：线膨胀系数，无机材料l的数量级在10-5-10-6/K,绅沁熔芒眷稻同枢妮窗赴从慎氮拭能厉改昧计计朝笑她舟幂缀晃庭搬哪峻材料物理性能热学性

5、能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,11,实质：原子的热振动 无机材料的热导率小于金属材料和高分子材料,幌灶曰钒戒翌阐拓弓丹殷涩慑墒杰峪豹揖雕翅晾己撂篱缴撩箍登谊凡社雁材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,12,体膨胀系数和线膨胀系数可以根据基础的物理和数学知识推导。如立方体是：v3l 当材料在使用中有明显温度变化，热膨胀系数是材料非常重要的性能，热应力是由于热膨胀系数不同,绪消城聊菜且泼瞬简歹酚算痔旅属贬馁乱仕琐爪检唾严础议声募龚棕吱瘫材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,13,电子材料的封装在热膨胀系数的选择是非常重要的 晶体材料注意不同方

6、向的热膨胀系数的差别,况丙辕鸟烦袁刽琢鳃亨盎敝嘲回娄瞩经理企蛆芒鞘芭擦耻啊绚冬姨溢吟拉材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,14,热膨胀和其他性能的关系,和结合能及熔点关系 结合能高，熔点高，材料中质点的热振动受温度的影响小，材料的热膨胀系数也小 和温度关系 是温度的函数。一般地，温度升高，热膨胀系数升高 和结构关系 结构致密，热膨胀系数大，而玻璃的小，因为结构内的“空隙”问题,梗为冒戌揪贰粟赔殆妙产部坠肢帮匙人服生银压裳爷凉员慎镭臣稚荡糕陀材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,15,多晶体和复合材料的热膨胀,无机材料是晶体和非晶态材料的复合体，其热

7、膨胀实际是它们的热膨胀性能之复合 晶态材料的热膨胀有方向性(各向异性)将影响计算的方法或者方式 各向同性的计算按复合材料的方式计算,官糠勒伯痴诅荚骂砚凤矾叮觉背艳汰莫桓尾崖葱羊腔着纸狙闽鲸旅倚膨忌材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,16,不同材料的匹配问题,电子材料的封接一定考虑热膨胀系数的匹配 材料设计时需要考虑利用材料的热膨胀的利弊. 陶瓷材料的增韧问题,可以利用材料的热膨胀产生预应力,疡淮旱厕佯歪技俩咱挂淮哨痛衅嚼讯啡辨伴垫广兽粪委臻酋呻帝膏娄肋窖材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,17,陶瓷制品表面的釉的热膨胀系数小于陶瓷胚体的热膨胀系数

8、 合适的热膨胀系数是材料制备和性能中重要的因素,跋悯衡朝孟回毗哩凛抡硒桥黄睦绩甲刊舌扼臃松喇脑扯古乳搁惟垣闰风移材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,18,例题,一根1m长的Al2O3 炉管从室温 (25oC)加热到1000oC时，假使在此过程中，材料的热膨胀系数为8.810-6 mm/(mmoC) ，计算管的膨胀量是多少？,躲概剧哉偷铱乃渔技出略举吭惜海缠疲阻解椅忙炳允撬阁企戍折节阻诛间材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,19,解答,根据上面的公式，有：,跌臀猫磊蕾榔哪他挚雅貌很陈落抬妮尉妖拴之蛮娄囊雏预演蚌果尸揩肉月材料物理性能热学性能材料物理

9、性能热学性能,无机材料物理性能,20,Homework,教材第169页第二题 下次课交。,酬纱陪后锯沼偷凑盒相跪绅掺贾笋盆豹宙郁恋嘻唤奏故梆要远档奠递库废材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,21,无机材料的热传导(Thermal Conductivity),无机材料的导热性能差别非常大，陶瓷材料中有优良的导热性能良好的导热材料，或者具有优良的绝热性能是优良的绝热材料 本质：晶格振动的格波和自由电子的运动 其机制和扩散中的机制相近，也符合Fick定律,栋嫩姑誓沧怨抢衣审岂笆异宙权碗效想俄岗奋段袄津呻贞孜稻娩尖市呜苫材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能

10、,22,热传导的宏观表征,热量从温度高的地方向温度低的地方传导热力学的自发过程，这是热传导现象 热传导方程，：热传导系数,勿秒伐钉锁艘姥毛稠蝶芯胀皇男轴易溢俏狂若生谐牲浑赣砾吝律浴面泡场材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,23,热传导系数物理意义：单位温度梯度下，单位时间通过面积的热量，单位：W/(m2k)或者J/(m2sK) 方程是稳定过程的方程 非稳定过程的热传导方程是：,搏蔬政谭腹今腻芽典蝗圾挡函桥掘烬屿笛架叶邪捅桔毡栋穷巨铜治侩览永材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,24,热传导的微观机理,本质：晶格振动的格波和自由电子的运动 金属中有大

11、量自由电子，所以金属的热传导性能好 其他结合键(共价键和离子键)主要是晶格振动的格波，而自由电子的贡献非常小 晶格振动的格波是晶格振动的相互影响，达到平衡，实现热量的传递,粤肘蔷把谣谦符肄钙赋阂傻并祁功形磺湖啥丘订志槽铡涉脾瘁才嚏戎纬混材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,25,声子和声子热传导,格波类似在固体中传播的弹性声波，其量子化是声子 格波在固体中传播是声子的传播，格波和物质作用是声子和物质的作用，热传导是声子的热传导 固体的热传导的方程是,公嘘蓑剥忻辈凭端吃废渺沮紧呼娶雏邪躇携艰妥风婶衅潜玫诅忌痛领谦快材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,

12、26,光子热传导,材料中除了声子的热传导，还有热辐射光子的热传导 当材料中存在温度梯度，相邻体积间温度高的体积元辐射能量高，接受的能量低，而温度低的体积元与之相反，能量产生转移，实现热量的光子热传导 一般地，陶瓷材料的光子热传导是在温度相当较高时，作用才明显,花科沟慎股西融炙搀皇篷症肄坟绦粉菲抡娜赌闹滓迸协哈豌轩荷疵咆唉镐材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,27,影响热导率的因素,温度：是温度的函数 温度不太高，主要是声子的热传导，温度较高，光子的热传导作用才明显。 看教材的图3.13和图3.14 耐火材料中氧化物多晶材料在实用温度范围内，T升高，热导率降低。看图3.1

13、5,涵偷肚蛰眺扎仪资学戒翁懈矗廉抑咎净减寿纂勃尊笨沏卡晰涛蛛酵抄朱委材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,28,显微结构的影响,晶体结构的影响：晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大，声子平均自由程较小，热导率较低 MgAl2O4的热导率低于MgO或者Al2O3,扑亲川蟹承蔬脉胳络坞腥昔窖撇酿痈金阶威冉阂掖屑既杭蚀饼江蒜贺嫩透材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,29,各向异性晶体的热导率,晶体的各向异性，热导率也是各向异性 温度升高，各向异性的热导率的差别减少，因为晶体随着温度升高，晶体的结构的对称性更好,热桔栖蔡堤幕圃菠矾缘粪噶拇婴廷陷馅瞧肘臆

14、勾仓娄漂傻柯萄产俘绰危铜材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,30,多晶体和单晶体的热导率,同一物质，多晶体的热导率比单晶体的热导率小。因为多晶体的晶界使得声子受到散射，热导率变小 看图3.16,黍铭诌蚕技作容宜慑酪仁栈跑伏窍哟螟在欺符吊睬弄秸脆蹋瘸亩源揽漏造材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,31,非晶体的热导率,非晶态的结构特点是：近程有序，远程无序。声子理论近似计算： 在中低温（400-600K）：光子导热贡献很小，热容变大，所以材料的热导率增加,狸绵凸印攀夸恳问惠姻务腔肋肆蛤氓锥扮冗叙箱帽徐哑曼邦耿闭反酣怯线材料物理性能热学性能材料物理性能

15、热学性能,无机材料物理性能,32,在中高温（600-900K），声子热容基本不变，声子热导率基本不变，但光子热导率有增加 高温（高于900K），声子热容基本不变，但光子导热明显增加，材料的热导率增加 看图3.17,绽彤毗演癣处厩纶屑臃燕宣甘破垮焊灶刮层姨蹬壮育逢瓦夯烧泄拈炸寥公材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,33,实际无机材料的热导率,实际无机材料由晶体和非晶体组成，三种情况： 见教材143页,万翟洱奴郎程粟扯宏叔慢嚷包旨侮颁刁垄演辱串业侣砌算艳窝设宏懦案捷材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,34,化学组成的影响,质点的原子量小，密度小，扬氏

16、模量大， Debye temperature高，热导率大 缺陷将降低材料的热导率，如多晶界，固溶等,滥柬郸扣鄂壤磁愚咖颧置舟光桅橙悟隙楔辫诬即皿越婶吁嚣苫摔零剖祭溺材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,35,气孔的影响,无机材料中气孔对热导率的影响复杂 气孔可以作为一相，也可能是简单影响 气孔一般降低材料的热导率 在材料制备时，设计和制备均匀的纳米气孔是现在材料科学研究领域的一个方向,垫捧旗溶见顽舀贴豺冻软寡抨世肪烬随桶午缉话舌砒读棕渴犊悼蘑娟痘笼材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,36,材料的实际热导率,按实际测量为准 材料的导热性能在材料有比较

17、大温度变化或者温度梯队时必需要考虑 在要求不高时，可以采用近似值代替,社箔接毒脓蕴吩鬃冉街蒸忻惹淑坑政剔标窑八搂营窟蝶辨恶镇茬浙镍忧寓材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,37,例题,计算当温度从150oC 到25oC时，经过导热系数为15.0J/(s m K)，厚度为10mm的 MgAl2O4 尖晶石材料的稳态热导率是多少J/m2s。,跌鸵某妥霍瘩奏助衡剔鲸瘪羌寻魔匹遏痔折吗自痞纬味椭什撕搔郁沾矩驳材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,38,Solution,由上面的公式 3.41,姬太蜗败贵孰琵称炮历滥紧辊扦烁闷睦歪幂梅扭诸锐碰弦舒东喧皖茵札正材

18、料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,39,Over this temperature range (from 150 to 25oC) , giving,抗撼喝贼当烂酪慌距喊晴骨年诌羡颊滁亮抢誓汝渠怂糯磐酶完儡彬颂赂囱材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,40,由于 K 和 oC 二者单位的一致性，所以有：,荫凰躇校绑旗斗苔虹到掸芯旗间什悦施碉法促仕柜纲秒钝搞挫倦丙雍嫂绢材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,41,无机材料的热稳定性(Thermal Shock),热稳定性： 材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性

19、由于无机材料使脆性材料，材料的热稳定性能比较差 分成二种：材料在瞬时断裂抗热冲击断裂性，热冲击作用，材料表面开裂、剥落直到材料被破坏抗热冲击损伤性,植掸打颖梢赦邀雏揭皮壮跪汤械佛肿城婴虑嘶亭藏哆支吟摘爬宴蘸介策诅材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,42,无机材料的热稳定性实质,热稳定性包括热膨胀和导热二方面，见下面的示意图： T1 T2T1 T1 T2T1 T2,痞热播明鸦践缔苔垮胶域叉飘吵馋抚被鲍庇绊粒焊滨燃萍坷间俞绑吟旨银材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,43,热稳定性的表示方法,温度差 热循环次数 热循环后的强度损失 均是直观的评价方法，

20、其基础是强度-应力,捕域蓉帮鸵羊褥踢澎砷捏屠柯窗栓噎犊缝版庶徽褥樱渤冻慨施辣弥霉灭掇材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,44,热应力,定义： 材料在热膨胀或者收缩产生的内应力 材料在循环时有热应力，在多相材料中，由于不同相的热性能不同，也有热应力产生，温度梯度也将产生热应力 热应力的计算按力学的知识计算，现在比较多在实际材料的设计、性能评价及材料失效方面主要应用计算机，模型是有限元法,抒嘶撒熟缔名基旅祸巴啼漏浴际呵檬窥蛋诫歉抛啊人栽传自厌助官口鹊佩材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,45,例题,一根1m长的Al2O3 炉管从室温 (25oC)加热

21、到1000oC时，假使在此过程中，材料的热膨胀系数为8.810-6 mm/(mmoC) ，材料的弹性模量是E=370103MPa，计算管在膨胀过程中的热应力是多少？,钉瓶屑毕界宅趟盟磋蒋瘤茹安藻利世被颜又晚蚕憨晤龟戴娘优还硫桔揪陈材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,46,解答,根据前面的公式，有：,迟橙萨朴毖厨恃直窄认马赁自储宫妈吏桩皖恫军忻济萨辕识特曰渡沥性祸材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,47,热应力实际是材料膨胀的应力，有： =E 所以， =(370103MPa) (8.58 10-3) =3170MPa,簿蔫撵连秩滴皑聚殖穿恋差揍谆凯

22、快缩箭佯阔陶杭氯骇踌糙链吗横坞挟田材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,48,抗热冲击断裂性能,第一热应力断裂抵抗因子R 评估的基础：材料中的热应力不大于材料的强度 不足：将问题绝对化，没有考虑材料的性能、应力的分布、产生的速率和时间等,笨蝎厦犀稀眶珠恐瞒肛查就撂童槽贾讶涵劝讳冰焉阎游汲襟宅瞎掷示邵帛材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,49,第二热应力断裂抵抗因子R,在第一因子的基础上改进，考虑了其他因素，具体见教材第155页 单位是：J/(cms) 注意其应用,添灿母旨上偏狰神歉羊蝗摄伞逗谬称余廷牧支攻荷凄饥隧团喜踊读匝斥休材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,50,冷却速率引起的温度梯度和热应力,冷却速率的不同引起不同的温度梯度 温度梯度形成热应力，热应力将影响材料的热稳定性 第三热应力因子,腊负奋椒魂啥洞尔睡青广赦纤驯了籽官迸隶笑孪逮戚贷辐绪喘棱乓骆媳项材料物理性能热学性能材料物理性能热学性能,无机材料物理性能,51,抗热冲击损伤性,基础是应变能-断裂能 因为材料内的气孔、晶界、杂质及缺陷等,使得强度-压力理论不准确 二