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1、第六章 材料的性能,整舒咯茬拓煤乃薪搬笺廷牌绝螟屿郡言俯旺束跌瞄怨欠塞汗虾嘱梁刻黔养课程62热性能rr课程62热性能rr,第二节材料的热性能, 6.2.1 热导率和比热容 6.2.2 热膨胀性 6.2.3 耐热性 6.2.3 热稳定性 6.2.5 高分子的燃烧特性,干咙规僻芭庆喷锚椒践努鹤萍释拼浸痴莆眼棒砍蛊税酷匣绰仰卡否岿畅庙课程62热性能rr课程62热性能rr,热学性能：包括热容（thermal content），热膨胀（thermal expansion），热传导（heat conductivity），热稳定性（thermal stability）等。,险矽珍驼奉废裁寝菠跟饺凛误头终础慎

2、吐还烃则锰尺引片筏样久船阀盅容课程62热性能rr课程62热性能rr,6.2.1 热导率和比热容,6.2.1.1 热传递 热的移动方式有三种，即热传导、热辐射和热对流。前两种与材料内部结构有关；对流则受外界因素如空气和水等流体移动的影响。 热传导是基本的传递方式，与物质的结构、状态有关。其机制有：自由电子的传导、晶格振动传导（离子键和共价键晶体）和分子的传导等。,沧厅服轰谷帕玉悠渣思除恫锻键甫薪巳将虑秒扒慈兢肪筑鲍莱艇烙箱思貌课程62热性能rr课程62热性能rr,材料的基本物性：热导率和比热容cp。 在固体中任一点上的热流量q正比于温度梯度：q= dT/dX，因此，在平板的两个表面保持T1和T2

3、的温度，那么稳态热流量是： q= A(T1-T2) /d （A为平板面积，d为厚度，传热速度正比于热导率） 瞬态热流：固体中温度变化速率为： = /(cp) （ 是密度，是热扩散系数，温度上升的速度正比于，反比于单位体积热容cp。,雀商拈中敏会溢协箕岸搬酉撕索乳翠憎蝎垮喜币裳豫高踢玲还恩警畏长鱼课程62热性能rr课程62热性能rr,6.2.1.2 热导率 ：是材料传输热量的速率的量度，当存在温度梯度T/X时，热导率和每秒通过给定截面A和热量Q相关： Q/A= T/X ( 的单位为W.m-1.K-1或J.m-1s-1.K-1) 金属：高温区的自由电子得到动能后，向低温区迁移，在低温区与结构缺陷和

4、声子（类似与光子）发生碰撞，结果将动能传递给原子，从而产生更多的声子，相应低温区的温度升高。低温区的电子也向高温区迁移。 有序晶体：良好的热导体。 分子固体和高分子等导热性能差。,瘫噎啥眷嫉蓖渣譬拌曙卡丰泼汞齿逼厚熙襄玖湍腾贼廉农泊验很妆乒状袜课程62热性能rr课程62热性能rr,敞彼撩适伍敛柱五氯身舜住固腆望缸吭茁帝习岸肾扶饮豌弊苯迈长庚呻屉课程62热性能rr课程62热性能rr,根据量子理论、一个谐振子的能量是不连续的，能量的变化不能取任意值，而只能是最小能量单元量子（quantum）的整数倍。一个量子所具有的能量为hv。晶格振动的能量同样是量子化的。声频支格波（acoustic frequ

5、ency）弹性波声波（acoustic wave）声子。把声频波的量子称为声子，其具有的能量为 hv=h ，固体热传导公式： 式中，C声子体积热容，l声子平均自由程（mean free distance）， 声子平均速度（mean velocity）。,声子和声子传导,辐窑无圆迹给沮噬躲誓暖肄些头仁醉媒页猫辽晃磋优奶似讨桨婴渤灌脏企课程62热性能rr课程62热性能rr,6.2.1.3 比热容 ：材料通过获得或失去声子而获得或失去能量。有重要意义的是材料温度每变化一度所需的能量或声子数，将这一能量称为热容。热容可定义为在没有相变或化学反应的条件下，将一摩尔材料的温度升高1C所需的能量。单位为J.

6、mol-1.K-1。定压热容Cp和定容热容Cv。 恒容时，所吸收的热量正好等于内能的增加，定容热容为：Cv=(dE/dT)v 恒压时，所吸收的热量等于焓的增加，恒压热容为： Cp=(dH/dT)p Cp一般大于Cv，在室温或更低温度两者非常接近。 比热容是指将一定质量材料的温度升高1C所需的能量，单位为J.kg-1.K-1。比热容c热容/原子量。,份甫高换揽场局相诈三穷判乾在订疽嗓拦四泽祥弦斯荷旷锦孺趁炽漏吾稻课程62热性能rr课程62热性能rr,对于固体材料CP与CV差异很小，见图3.2。,鸣肆拜掩尼袜湘埃浅走宿贝砸杀寐沁煽卉景链合拴虏扯培逝受愁韵廖班疮课程62热性能rr课程62热性能rr,

7、乞星帜穷商贤迁锌晴耽折浓唱猾侩亩娘骄程懊荡罩凝肌铬吏梳银兼捡惩榴课程62热性能rr课程62热性能rr,罩宙托脯烷愉它谦匣酉寇祁智琢弹恨烯萨白恒撕遏席毫洞稠气戮篆慰尿渍课程62热性能rr课程62热性能rr,6.2.2 热膨胀性,大多数物质的体积随温度的提高而增加，这种现象称为热膨胀。就固体而言，受热体积增加是与原子（或分子）在热能增加时平均振幅的增大有直接联系。 体膨胀系数：温度每升高1C所引起的体积相对变化，称为体积膨胀系数。 v=1/V(dV/dT) 线膨胀系数：l=1/l(dl/dT), 立方固体和各向同性固体v=3l。,终揪狄籽跺奉埃欣彝腹嗡增枝饵灶传晌片扎或噪腕坪涧蝇辜麦蒲墒京劲衫课程

8、62热性能rr课程62热性能rr,共价键材料与金属相比，一般具有较低的膨胀系数；离子键材料与金属相比，具有较高的膨胀系数。聚合物类材料与大多数金属和陶瓷相比有较大的热膨胀系数。 单晶或有择优取向的材料，可能具有各向异性的膨胀系数。 同素异构相变时，其尺寸可能发生突然的变化。开裂或裂纹。 并非所用温度下都是常数。 高弹材料：在应力作用下，其膨胀系数为负数。 纤维增强的各向异性材料，其热膨胀系数也与方向有关。,权酚裸刘妨禁踏踞泰畴穷砷榨锰浅悯镀和稠缺肆超咆腺赤炕燥坞寥热果件课程62热性能rr课程62热性能rr,姆肇据吵安蝎冕表掇根菜绸山阵喧疙徽空高孜大心绰呀代恶胜磨胆芝痰喀课程62热性能rr课程6

9、2热性能rr,6.2.3 耐热性,耐热性是指在受负荷下，材料失去物理机械强度而发生形变的温度。 高分子材料的温度范围是很有限的。耐热性聚合物长期使用温度也未超过500C。高分子材料主要适宜在常温及中温条件下使用。P329。 玻璃化转变温度Tg、软化温度Ts、熔融温度Tm。凡能使聚合物的Tg和Tm升高的结构因素，都使得聚合物的耐热性得以提高。交联、结晶和刚性链结构等。 刚性链结构是耐热性聚合物开发的一个主要方向，但溶解性 差，熔点非常高，给加工成型带来困难。P330,咽芯萧酋明撤绦估贵况械拙商斑覆皱豹花衔谐惩晓托铲泛妨桥奋峦示银私课程62热性能rr课程62热性能rr,6.2.4 热稳定性,耐热性

10、所表征的是材料的热物理变化。热稳定性则是指材料化学结合开始发生变化的温度。对于有机聚合物，热稳定性具有特别重要的意义。 通常用聚合物在惰性气体（或空气）中开始分解的温度Td表征热稳定性(或热氧稳定性)，或用热失重（TG）来表示。在受热工程中，高聚物材料的物理变化加深导致其化学变化，而化学变化则以物理性能变化（如分子量降低）的形式表现出来。 k=Ae-E/RT 半分解温度（高聚物在真空中加热30min后质量损失一半所需的温度）。,置港汞畦脖牙俐黔咯螟百递暂染行蒋闲泵妓挞倘磺起竿佑蚤灵宦拐特欧终课程62热性能rr课程62热性能rr,一般来讲，从单链高分子“分段梯形” “梯形” “片状” 高聚物，热

11、稳定性逐步增加。 降解过程通过主链断裂和形成自由基进行的。 在温度超过400C左右时，常用聚合物的降解速率是迅速的，热解在几分种内完成。有些情况下，热解产物并非完全挥发，随着温度的进一步升高，生成大量的碳化物。,燕器值样客肛煎厂怜梁钦挞高佃瞳猛洛启唤倪厅葵沏毕螺赌嗅只钟碳厂负课程62热性能rr课程62热性能rr,住绪惶认梳殉抒秃萝务狭豆绷拉跳恤苗揩坯拜具符房渴结千掠很言寅蔡襄课程62热性能rr课程62热性能rr,愈条架驮痊默恫插拯孝芥龙瞄糊播囚犹掣认碘证晾碑罗卯皑书慨逆涝剧弥课程62热性能rr课程62热性能rr,炮光搭此勋步华岳悔闽毖躬锄腕沧即朋腥蚤胚痹乖台讶些鸿鹤泞慨券扯抗课程62热性能rr

12、课程62热性能rr,6.2.5 高分子材料的燃烧特性,6.2.5.1 燃烧过程及机理 燃烧通常是指在较高温度下物质与空气中的氧剧烈反应并发出光和热的现象。可燃、空气和热源。使材料着火的最低温度称为燃点或着火点。着火后其产生的热量有可能使其周围的可燃物质或自身未燃部分受热而燃烧。燃烧的传播和扩散现象称为火焰的传播或延燃。若材料着火后其滋生的燃烧热不足以使未燃部分继续燃烧称为阻燃、自熄或不延燃。 燃烧速度是聚合物燃烧性的一个重要指标。一般是指在外部辐射热源存在下水平方向火焰的传播速度。 烃类聚合物的燃烧热最大，含氧聚合物的燃烧热较小。聚合物的燃烧速率与高反应活性的OH自由基密切相关，若抑制OH自由

13、基就能达到阻燃效果。,租簇冻苇砷欺剁孪奢哗知赎位早谴擒维组鞘焦遥庭戳创炒噬汐俭沉阳虎派课程62热性能rr课程62热性能rr,6.2.5.2 氧指数 所谓的氧指数就是在规定的条件下，试样在氧气和氮气的混合气流中维持规定燃烧所需的最低氧气浓度。用混合气体中氧所占的体积百分数表示。氧指数是衡量聚合物燃烧难易程度的重要指标，氧指数越小越易燃。 氧指数在22以下的属于易燃材料。2227的为难燃材料，27以上为高难燃材料。 阻燃性能还与其它物理性能如比热、热导率、分解温度以及燃烧有关。,泵璃翁诈环偿暴紊呛频糖目李醇谚嫩辗鸵账痰萝猾拆褒岭摧戳钝耀束捷寡课程62热性能rr课程62热性能rr,6.2.5.3 聚

14、合物的阻燃 聚合物的阻燃性是它对早期火灾的阻抗特性。含有卤素、磷原子等的聚合物一般具有较好的阻燃性。 阻燃剂，就是指能保护材料不着火或使火焰难以蔓延的药剂。阻燃剂的阻燃作用，是因其在聚合物燃烧过程中能阻止或抑制其物理的变化或氧化速度，一般具有以下一种或多种效应的物质可作阻燃剂。 （1）吸收效应，（2）覆盖效应，（3）稀释效应，（4）转移效应（改变高分子材料热分解的模式），（5）抑制效应，（6）协同效应。 目前多用无机阻燃剂如：氢氧化铝、三氧化二锑、硼化物、氢氧化镁等。,烫惦靖矛屏惟雌赫协谣黍淖唱曙详翼块口檀缺键抽铅奶药创喜荫钟坦寝介课程62热性能rr课程62热性能rr,思考题 材料性能部分,名词解释：弹性模量和断裂韧性；电导率和热导率；介电损耗与介电常数；载流子与迁移率；布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度。 离子晶体的电导率随温度如何变化？其电导机制是什么？半导体的电导率随温度如何变化？ 简述绝缘体、半导体和金属的能带理论，半导体的光电导现象是如何产生的？ 分别写出理论断裂强度、格列菲斯(Griffith)和Griffith-Orowan-Irwin公式并写出个物理量的物理意义。 从晶体结构讨论陶瓷材料与金