無機材料的熱學性能PPT學習教案

1、會計學1無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能在熱力學中在熱力學中 （晶格熱振動）晶格熱容固體的熱容 （電子的熱運動）電子熱容E-固體的平均內(nèi)能Cv =( E/ T)V ee第1頁/共95頁經(jīng)典統(tǒng)計理論的能量均分定理：每一個簡諧振動的平均能量是kBT ，若固體中有N個原子，則有3N個簡諧振動模，總的平均能量: E=3NkBT 熱容: Cv = 3NkB第2頁/共95頁 熱量熱量 晶格晶格 晶格振動晶格振動 電子缺陷和熱缺陷電子缺陷和熱缺陷頻率為頻率為 晶格波（振子）晶格波（振子） 振動的振幅的增加振動的振幅的增加 振子的能量增加振子的能量增加以聲子為單位增加振子能量（即能量量子化）以聲子為單位增

2、加振子能量（即能量量子化）進入進入引起引起表現(xiàn)為表現(xiàn)為增加增加增加的方式增加的方式能量表現(xiàn)為能量表現(xiàn)為引起引起表現(xiàn)為表現(xiàn)為4.1.1 簡諧振子的能量本質(zhì)第3頁/共95頁 振子受熱激發(fā)所占的能級是分立的，它的能級在振子受熱激發(fā)所占的能級是分立的，它的能級在0k時為時為1/2 -零點能。依次的能級是每隔零點能。依次的能級是每隔 升高升高一級，一般忽略零點能。一級，一般忽略零點能。 n En =n + 1/2 2101. 振子能量量子化：第4頁/共95頁根據(jù)波爾茲曼能量分布規(guī)律，振子具有能量根據(jù)波爾茲曼能量分布規(guī)律，振子具有能量n 的的幾率：幾率： exp(- n /kBT)3. 在溫度在溫度Tk時

3、以頻率時以頻率 振動振子的平均能量振動振子的平均能量 n exp(- n /kBT) exp(- n/kBT) n=0 n=0E( )= exp( /kBT) 1= T E( ) 2. 振子在不同能級的分布服從波爾茲曼能量分布規(guī)律第5頁/共95頁4. 在溫度在溫度Tk時的平均聲子數(shù)時的平均聲子數(shù)說明說明：受熱晶體的溫度升高，實質(zhì)上是晶體中熱激受熱晶體的溫度升高，實質(zhì)上是晶體中熱激發(fā)出聲子的數(shù)目增加。發(fā)出聲子的數(shù)目增加。晶體中的振子（振動頻率）不止是一種，而是一個頻譜。5. 振子是以不同頻率格波疊加起來的合波進行運動nav=E ()/ 1exp( /kBT) 1=第6頁/共95頁分析具有分析具有

4、N個原子的晶體：個原子的晶體：每個原子的自由度為每個原子的自由度為3，共有，共有3N個頻率，在溫度個頻率，在溫度Tk時，時，晶體的平均晶體的平均 能量：能量：4.1.2 熱容的量子理論E= E( i)= iexp( i/kBT) 13Ni=13Ni=1用積分函數(shù)表示類加函數(shù)：用積分函數(shù)表示類加函數(shù)：設設 ( )d 表示角頻率表示角頻率 在在 和和 +d 之間的格波數(shù)之間的格波數(shù),而且而且 ( )d =3N m0第7頁/共95頁平均能量為：平均能量為：E= ( )d exp( /kBT) 1等容熱容：等容熱容： Cv=(dE/dT)v= kB( / kBT)2 m0 ( ) exp / kBTd

5、 (exp( /kBT) 1)2說明：用量子理論求熱容時，關鍵是求角頻率說明：用量子理論求熱容時，關鍵是求角頻率的分布函數(shù)的分布函數(shù) ( )。常用愛因斯坦模型和德拜模。常用愛因斯坦模型和德拜模型。型。 m 0第8頁/共95頁熱容的本質(zhì)：熱容的本質(zhì)： 反映晶體受熱后激發(fā)出的晶格波與溫度的關系；反映晶體受熱后激發(fā)出的晶格波與溫度的關系； 對于對于N個原子構(gòu)成的晶體，在熱振動時形成個原子構(gòu)成的晶體，在熱振動時形成3N個個振子，各個振子的頻率不同，激發(fā)出的聲子能量也振子，各個振子的頻率不同，激發(fā)出的聲子能量也不同；不同； 溫度升高，原子振動的振幅增大，該頻率的聲子溫度升高，原子振動的振幅增大，該頻率的

6、聲子數(shù)目也隨著增大；數(shù)目也隨著增大； 溫度溫度 升高，在宏觀上表現(xiàn)為吸熱或放熱，實質(zhì)上升高，在宏觀上表現(xiàn)為吸熱或放熱，實質(zhì)上是各個頻率聲子數(shù)發(fā)生變化。是各個頻率聲子數(shù)發(fā)生變化。第9頁/共95頁晶格為連續(xù)介質(zhì)；晶格為連續(xù)介質(zhì)；晶體振動的長聲學波晶體振動的長聲學波-連續(xù)介質(zhì)的彈性波；連續(xù)介質(zhì)的彈性波；在低溫頻率較低的格波對熱容有重要貢獻；在低溫頻率較低的格波對熱容有重要貢獻；縱橫彈性波的波速相等縱橫彈性波的波速相等。1. 德拜模型（1）條件第10頁/共95頁 m = (6 2N/V)1/3 (V-晶體的體積；晶體的體積； -平均聲波速度）平均聲波速度）（2） 等容熱容 x= / kBT= /T (

7、 = / kB) xm= m/ kBT= D/T m -聲頻支最大的角頻率；聲頻支最大的角頻率； D -德拜特征溫度。德拜特征溫度。 Cv=(dE/dT)v=3NkBf(x)式中：式中： f(x)=3xm3 dx xm0exx4(ex-1)2為德拜熱容函數(shù)為德拜熱容函數(shù)第11頁/共95頁（3） 討論討論:a: Cv 與與T / D的關系曲的關系曲線線T / D Cv當當T D, ，x很小，很小，有有 ex -1 x得得 ： Cv = 3NkB當當T D xm= m/ kBT= D/T ，xm得：得： Cv (T / D)3以上兩種情況和實驗測試結(jié)果以上兩種情況和實驗測試結(jié)果相符合。相符合。第1

8、2頁/共95頁b 德拜溫度德拜溫度德拜溫度德拜溫度-晶體具有的固定特征值。晶體具有的固定特征值。nav=exp( m/kBT) 11當當 exp( m/kBT) 11時，平均聲子數(shù)大于時，平均聲子數(shù)大于1，能量最大的聲子被激發(fā)出來。能量最大的聲子被激發(fā)出來。因因 m/ kB= D有有 exp( D /T)1，則則 Cv=3NkB( /kBT) 2 exp(- /kBT)比比T3更快的趨近與零更快的趨近與零,和實驗結(jié)果有很大的差別。和實驗結(jié)果有很大的差別。不足：不足：把每個原子當作一個三維的獨立簡諧振子，繞把每個原子當作一個三維的獨立簡諧振子，繞平衡點振動。忽略了各格波的頻率差別，其假設過于平衡

9、點振動。忽略了各格波的頻率差別，其假設過于簡化。簡化。熱容的量子理論適用的材料：原子晶體、部分簡單的熱容的量子理論適用的材料：原子晶體、部分簡單的離子晶體，如：離子晶體，如：Al,Ag,C,KCl,Al2O3. 較復雜的結(jié)構(gòu)有較復雜的結(jié)構(gòu)有各種高頻振動耦合，不適用。各種高頻振動耦合，不適用。第19頁/共95頁三、無機材料的熱容三、無機材料的熱容影響熱容的因素：影響熱容的因素：1. 溫度對熱容的影響溫度對熱容的影響 高于德拜溫度時，熱容趨于常數(shù)，低于德拜高于德拜溫度時，熱容趨于常數(shù)，低于德拜溫度時，與溫度時，與(T / D)3成正比。成正比。2. 鍵強、彈性模量、熔點的影響鍵強、彈性模量、熔點的

10、影響 德拜溫度約為熔點的德拜溫度約為熔點的0.20.5倍。倍。第20頁/共95頁3. 無機材料的熱容對材料的結(jié)構(gòu)不敏感無機材料的熱容對材料的結(jié)構(gòu)不敏感 混合物與同組成單一化合物的熱容基本相同?；旌衔锱c同組成單一化合物的熱容基本相同。4. 相變時，由于熱量不連續(xù)變化，熱容出現(xiàn)突變。相變時，由于熱量不連續(xù)變化，熱容出現(xiàn)突變。5. 高溫下，化合物的摩爾熱容等于構(gòu)成該化合物的各高溫下，化合物的摩爾熱容等于構(gòu)成該化合物的各元素原子熱容的總和元素原子熱容的總和(c= niCi) ni :化合物中化合物中i元素原子數(shù)；元素原子數(shù)； Ci:i元素的摩爾熱容。元素的摩爾熱容。 計算大多數(shù)氧化物和硅酸鹽化合物在計

11、算大多數(shù)氧化物和硅酸鹽化合物在573以上熱容有較好的結(jié)果。以上熱容有較好的結(jié)果。6. 多相復合材料的熱容：多相復合材料的熱容：c= gicigi ：材料中第：材料中第i種組成的重量種組成的重量%；Ci：材料中第：材料中第i組成的比熱容。組成的比熱容。第21頁/共95頁根據(jù)熱容選材：根據(jù)熱容選材：材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容也不同，質(zhì)量熱損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容也不同，質(zhì)量輕，熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質(zhì)隔熱磚，輕，熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質(zhì)隔熱磚，便于爐體迅速升溫，同時降低熱量損耗。便于

12、爐體迅速升溫，同時降低熱量損耗。第22頁/共95頁 熱容是晶體的內(nèi)能對溫度求導。熱容是晶體的內(nèi)能對溫度求導。 內(nèi)能是所有振動格波的能量之和。內(nèi)能是所有振動格波的能量之和。 某一振動格波是以階梯的形式占有能量，兩相鄰能級相差一某一振動格波是以階梯的形式占有能量，兩相鄰能級相差一個聲子，在個聲子，在n 能級上的振動幾率服從波爾茲曼能量分布能級上的振動幾率服從波爾茲曼能量分布規(guī)律規(guī)律 exp(- /kBT)。每一格波所具有的能量為該格波的平均能量。平均能量與每一格波所具有的能量為該格波的平均能量。平均能量與聲子的能量之比為平均聲子數(shù)。聲子的能量之比為平均聲子數(shù)。 內(nèi)能為所有格波的平均能量之和。內(nèi)能為

13、所有格波的平均能量之和。 德拜根據(jù)假設，求出熱容與溫度的函數(shù)，且定義德拜根據(jù)假設，求出熱容與溫度的函數(shù)，且定義 m/ kB為為德拜溫度，通過平均聲子數(shù)與溫度的關系可知，在溫度大德拜溫度，通過平均聲子數(shù)與溫度的關系可知，在溫度大于德拜溫度時，最大頻率的格波被激發(fā)出來。于德拜溫度時，最大頻率的格波被激發(fā)出來。 德拜模型成功地解釋了杜隆德拜模型成功地解釋了杜隆伯替定律，即熱容與溫度的關伯替定律，即熱容與溫度的關系。但由于德拜模型是在一定的假設條件下建立的，因此系。但由于德拜模型是在一定的假設條件下建立的，因此仍存在不足。仍存在不足。小 結(jié)第23頁/共95頁簡諧近似：當原子離開其平衡位置發(fā)生位移時，它

14、受簡諧近似：當原子離開其平衡位置發(fā)生位移時，它受到的相鄰原子作用力與該原子的位移成正比。到的相鄰原子作用力與該原子的位移成正比。 4.2.1 非簡諧振動1. 簡諧近似4.2 熱膨脹設在平衡位置時，兩個原子間的互作用勢能是：設在平衡位置時，兩個原子間的互作用勢能是：U(a);產(chǎn)生相對位移產(chǎn)生相對位移 后，兩個原子間的互作用勢能是：后，兩個原子間的互作用勢能是：U(a+ ）將將U(a+ ）在平衡位置附近用泰勒級數(shù)展開如下：在平衡位置附近用泰勒級數(shù)展開如下：第24頁/共95頁u(r)rrf(r)armU(a+ ）=U(a)+(dU/dr)a +1/2(d2U/dr2)a 2+常數(shù) 0當當 很?。ㄕ駝?/p>

15、很微弱），很小（振動很微弱），勢能展開式中可只保留到勢能展開式中可只保留到 2項，則恢復力為項，則恢復力為 F =-dU/d =-(d2U/dr2)a 第25頁/共95頁晶格的原子振動可描述為一系列線性獨立的諧振子。相應的振子之間不發(fā)生作用，因而不發(fā)生能量交換。在晶體中某種聲子一旦被激發(fā)出來，它的數(shù)目就一直保持不變，它既不能把能量傳遞給其他頻率的聲子，也不能使自己處于熱平衡分布。結(jié) 論第26頁/共95頁在原子位移較小時，在原子位移較小時， 高次項與高次項與 2比較起來為一小量，比較起來為一小量，可把這些高次項看成微擾項?？砂堰@些高次項看成微擾項。諧振子相互間要發(fā)生作用諧振子相互間要發(fā)生作用-聲

16、子間將相互交換能量。聲子間將相互交換能量。如果開始時只存在某種頻率的聲子，由于聲子間的如果開始時只存在某種頻率的聲子，由于聲子間的互作用，這種頻率的聲子轉(zhuǎn)換成另一種頻率的聲子，互作用，這種頻率的聲子轉(zhuǎn)換成另一種頻率的聲子，即一種頻率的聲子要垠滅，另一種頻率的聲子會產(chǎn)即一種頻率的聲子要垠滅，另一種頻率的聲子會產(chǎn)生。生。2. 非簡諧振動第27頁/共95頁結(jié)果：經(jīng)過一定的馳豫時間后，各種聲子的分布達到平衡，即熱平衡。例如：兩個聲子相互作用產(chǎn)生第三個聲子。例如：兩個聲子相互作用產(chǎn)生第三個聲子。一個頻率為一個頻率為9.20GHz的縱聲子束，和與之相平行的頻的縱聲子束，和與之相平行的頻率為率為9.18GH

17、z另一縱聲子束在晶體中相互作用，產(chǎn)生另一縱聲子束在晶體中相互作用，產(chǎn)生頻率為頻率為9.20+ 9.18= 18.38GHz的第三個縱聲子束。的第三個縱聲子束。聲子相互作用的物理過程簡述如下：聲子相互作用的物理過程簡述如下：一個聲子的存在引起周期性彈性應變，周期性彈性一個聲子的存在引起周期性彈性應變，周期性彈性應變通過非諧相互作用對晶體的彈性常數(shù)產(chǎn)生空間應變通過非諧相互作用對晶體的彈性常數(shù)產(chǎn)生空間和時間的調(diào)制，第二個聲子感受到這種彈性常數(shù)的和時間的調(diào)制，第二個聲子感受到這種彈性常數(shù)的調(diào)制，受到散射，產(chǎn)生第三個聲子。調(diào)制，受到散射，產(chǎn)生第三個聲子。第28頁/共95頁ttt1t21. 熱膨脹熱膨脹：

18、溫度改變熱膨脹：溫度改變 toC時，固體在一定方向上發(fā)生時，固體在一定方向上發(fā)生相對長度的變化相對長度的變化(L/Lo)或相對體積的變化或相對體積的變化( V/Vo)。線膨脹系數(shù)：線膨脹系數(shù)： =(1/Lo)(L/ t)體積膨脹系數(shù)：體積膨脹系數(shù)： =(1/Vo)/(V/ t)4.2.2 熱膨脹第29頁/共95頁2. 熱膨脹機理熱膨脹時，晶體中相鄰原子之間的平衡距離也隨溫熱膨脹時，晶體中相鄰原子之間的平衡距離也隨溫度變化而變化。度變化而變化。按照簡諧振動理論解釋：溫度變化只能改變振幅的按照簡諧振動理論解釋：溫度變化只能改變振幅的大小不能改變平衡點的位置。大小不能改變平衡點的位置。用非簡諧振動理

19、論解釋熱膨脹機理。用非簡諧振動理論解釋熱膨脹機理。（利用在相鄰原子之間存在（利用在相鄰原子之間存在 非簡諧力時，原子間非簡諧力時，原子間的作用力的曲線和勢能曲線解釋。）的作用力的曲線和勢能曲線解釋。）第30頁/共95頁U(r) roA1 A2斥力斥力引力引力合力合力距離距離r力力F(r)距離距離r質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)受力質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)受力不對稱，即合力曲線的斜不對稱，即合力曲線的斜率不等。率不等。當當r ro時，曲線的斜率較時，曲線的斜率較大，斥力隨位移增大的很大，斥力隨位移增大的很快，即位移距離快，即位移距離X，所受，所受合力大。合力大。當當r ro時，曲線的斜率時，曲線的斜率較小，吸引力

20、隨位移增大較小，吸引力隨位移增大的較慢，即位移的較慢，即位移X距離，距離，所受合力小。所受合力小。（1） 用作用力的曲線解釋如果質(zhì)點在平衡點兩側(cè)受力不對稱越顯著，溫度增大，膨脹就越大，晶胞參數(shù)越大。第31頁/共95頁勢能曲線不是嚴格對稱勢能曲線不是嚴格對稱拋物線。拋物線。即勢能隨原子間距的減即勢能隨原子間距的減小，比隨原子間距的增小，比隨原子間距的增加而增加得更迅速。加而增加得更迅速。由于原子的能量隨溫度由于原子的能量隨溫度的增加而增加，結(jié)果：的增加而增加，結(jié)果：振動原子具有相等勢能振動原子具有相等勢能的兩個極端位置間的平的兩個極端位置間的平均位置就漂移到比均位置就漂移到比0K時時（ro）更大

21、的值處。由此）更大的值處。由此造成平衡距離的增大。造成平衡距離的增大。（2） 用勢能曲線解釋用勢能曲線解釋E3(T3)E2(T2)E1(T1)U(r)距離距離r第32頁/共95頁H2NaClU(r)r離子鍵勢能曲線的對稱性比共鍵鍵的勢能曲線差，所離子鍵勢能曲線的對稱性比共鍵鍵的勢能曲線差，所以隨著物質(zhì)中離子鍵性的增加，膨脹系數(shù)也增加。另以隨著物質(zhì)中離子鍵性的增加，膨脹系數(shù)也增加。另一方面，化學鍵的鍵強越大，膨脹系數(shù)越小。一方面，化學鍵的鍵強越大，膨脹系數(shù)越小。3. 影響熱膨脹的因素勢能曲線的不對稱程度越高，熱膨脹越大，而不對勢能曲線的不對稱程度越高，熱膨脹越大，而不對稱程度隨偏離簡諧振動程度的

22、增加而增加。稱程度隨偏離簡諧振動程度的增加而增加。（1） 化學鍵型第33頁/共95頁1/q如：簡單立方晶系AB型晶體，異 號離子間距越短，電荷越大，相應的鍵強越大，膨脹系數(shù)就小?？捎孟率焦烙嫞?=常數(shù)（配位數(shù)/電價)2第34頁/共95頁 q q2（常數(shù)）（常數(shù)） NaCl 1/6 4010-6 1.1010-6 CaF2 2/8 1910-6 1.1910-6 MgO 2/6 1010-6 1.1110-6 ZrO2 4/8 4.510-6 1.1210-6 膨脹系數(shù)和鍵強的關系膨脹系數(shù)和鍵強的關系 主要依賴于鍵強，但在同型構(gòu)造的化合物中變化主要依賴于鍵強，但在同型構(gòu)造的化合物中變化范圍很大。

23、范圍很大。例如：例如：NaF(3410-6)-LiI(5610-6)，其中，其中LiI、LiCl、 NaI 和和NaBr的的 最大，這是由于它們的正負最大，這是由于它們的正負離子半徑比大，使負離子離子半徑比大，使負離子-負離子團相互排斥，負離子團相互排斥，導致結(jié)構(gòu)松弛，易于膨脹。導致結(jié)構(gòu)松弛，易于膨脹。第35頁/共95頁 材材 料料 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù) 1/oC106 (01000)oC 材材 料料 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù) 1/oC106 (01000)oC 金剛石金剛石 3.1SiC 4.7BeO 9.0TiC 7.4MgO 13.5SiO2 12ZrO2（穩(wěn)定化）（穩(wěn)定化） 10.0 粘土

24、耐火材料粘土耐火材料 5.5尖晶石尖晶石 7.6熔融石英玻璃熔融石英玻璃 0.5莫來石莫來石 5.3窗玻璃窗玻璃 9.0ZrO2堇青石瓷堇青石瓷 4.2 1.1-2.0無機材料的平均熱膨脹系數(shù)無機材料的平均熱膨脹系數(shù)第36頁/共95頁純金屬的平均線膨脹系數(shù)純金屬的平均線膨脹系數(shù)10-6 （0100 0C）金屬金屬線膨脹線膨脹系數(shù)系數(shù)金屬金屬線膨脹線膨脹系數(shù)系數(shù)Li58Si6.95Be10.97Cn17.0B8.0Zn38.7Na71.0Zr5.83Mg27.3K84Al23.8Ti7.14第37頁/共95頁結(jié)合力強，勢能曲線深而狹窄，升高同樣的溫度，結(jié)合力強，勢能曲線深而狹窄，升高同樣的溫度，

25、質(zhì)點振幅增加的較少，熱膨脹系數(shù)小。質(zhì)點振幅增加的較少，熱膨脹系數(shù)小。單質(zhì)材料單質(zhì)材料 ro(10-10m) 結(jié)合能結(jié)合能103J/mol 熔點熔點(oC) l(10-6)金剛石金剛石1.54712.335002.5硅硅2.35364.514153.5錫錫5.3301.72325.3（2）熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關系第38頁/共95頁（3）熱膨脹與溫度、熱容的關系 晶格振動加劇晶格振動加劇 引起體積膨脹引起體積膨脹( l ) 吸收能量吸收能量 升高單位溫度升高單位溫度 l 、 Cv與溫度有相似的規(guī)律與溫度有相似的規(guī)律=Cv T/oCl比熱容第39頁/共95頁 結(jié)構(gòu)緊密的固體，膨脹系數(shù)大，反之，膨脹

26、系數(shù)小結(jié)構(gòu)緊密的固體，膨脹系數(shù)大，反之，膨脹系數(shù)小對于氧離子緊密堆積結(jié)構(gòu)的氧化物，相互熱振動導致對于氧離子緊密堆積結(jié)構(gòu)的氧化物，相互熱振動導致膨脹系數(shù)較大，約在膨脹系數(shù)較大，約在6810-6/ 0C，升高到德拜特征，升高到德拜特征溫度時，增加到溫度時，增加到 101510-6/ 0C。如：如：MgO、 BeO、 Al2O3、 MgAl2O4、BeAl2O4都具都具有相當大的膨脹系數(shù)。有相當大的膨脹系數(shù)。固體結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部空隙較多，當溫度升高，原子振固體結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部空隙較多，當溫度升高，原子振幅加大，原子間距離增加時，部分的被結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙幅加大，原子間距離增加時，部分的被結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙所容納，宏

27、觀膨脹就小。所容納，宏觀膨脹就小。如：石英如：石英 1210-6 /K ，石英玻璃，石英玻璃0.510-6/K（4） 熱膨脹與結(jié)構(gòu)的關系第40頁/共95頁敞曠式的結(jié)構(gòu)，例如，石英、鋰霞石、鋰輝石等，敞曠式的結(jié)構(gòu)，例如，石英、鋰霞石、鋰輝石等，它們是由硅氧四面體形成的架狀結(jié)構(gòu)，其中存在較它們是由硅氧四面體形成的架狀結(jié)構(gòu)，其中存在較大的空洞，熱振動比較復雜，有兩個額外效應可能大的空洞，熱振動比較復雜，有兩個額外效應可能發(fā)生。發(fā)生。首先，原子可以向結(jié)構(gòu)中空曠出振動，導致膨脹系首先，原子可以向結(jié)構(gòu)中空曠出振動，導致膨脹系數(shù)小數(shù)小,鋰霞石鋰霞石LiAlSiO4的熱膨脹系數(shù)是的熱膨脹系數(shù)是210-6/0C

28、。其次，協(xié)同旋轉(zhuǎn)效應，四面體旋轉(zhuǎn)具有異常大或小其次，協(xié)同旋轉(zhuǎn)效應，四面體旋轉(zhuǎn)具有異常大或小的膨脹。的膨脹。 第41頁/共95頁晶體晶體垂直垂直C平行平行C晶體晶體垂直垂直C平行平行CAl2O38.39.3SiO2(石英石英)1493Al2O32SiO24.55.7NaAlSi3O8413TiO26.88.3C(石墨石墨)127ZrSiO46.88.3Mg(OH)2114.5CaCO3-625各向異性晶體的熱膨脹系數(shù)各向異性晶體的熱膨脹系數(shù) 晶體的各向異性膨脹晶體的各向異性膨脹各層間的結(jié)合力不同引起熱膨脹不同。各層間的結(jié)合力不同引起熱膨脹不同。第42頁/共95頁 溫度變化時發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，引起體積

29、膨脹. g/cm3：如：單斜如：單斜ZrO2 四方四方ZrO2 5.56 6.1 6.27 立方立方ZrO2 液相液相27150C11700C23700C第43頁/共95頁ZrO2 的差的差熱分析曲線熱分析曲線99% ZrO2 ，19500C預燒預燒900 1000 1100 1200 1300 溫度（ oC ） 0 400 800 1200 溫度（溫度（ oC）1.20.8 0.4 未穩(wěn)定未穩(wěn)定ZrO2等軸晶型穩(wěn)定ZrO2ZrO2 的線的線膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)（%）與）與溫度的關溫度的關系系第44頁/共95頁4. 無機材料的熱膨脹（1）玻璃的熱膨脹網(wǎng)絡形成劑網(wǎng)絡形成劑 如：如：SiO2、B2O3

30、、P2O5、Al2O3、As2O3、 Ga2O3 BeO、Bi2O3網(wǎng)絡改變體離子網(wǎng)絡改變體離子 一價一價M1、二價金屬、二價金屬M2氧化物氧化物 很易極化的陽離子很易極化的陽離子M3，如：，如：PbO、CdO、Bi2O3高價，其積聚作用大的陽離子氧化物高價，其積聚作用大的陽離子氧化物M4 ,如：如：La2O3、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5中間氧化物：中間氧化物： 如：如： Al2O3、BeO、TiO,、MgO、ZnO第45頁/共95頁 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)本身的強度對熱膨脹系數(shù)影響。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)本身的強度對熱膨脹系數(shù)影響。 堿金屬及堿土金屬的加入使網(wǎng)絡斷裂，造成玻堿金屬及堿土金屬的加入使網(wǎng)絡斷裂，造成玻

31、璃膨脹系數(shù)增大，隨著加入正離子與氧離子間鍵璃膨脹系數(shù)增大，隨著加入正離子與氧離子間鍵力（力（z/a2,z是正離子電價；是正離子電價；a是正負離子間的距離）是正負離子間的距離）減小而增大。減小而增大。參與網(wǎng)絡構(gòu)造的氧化物如：參與網(wǎng)絡構(gòu)造的氧化物如：B2O3,Al2O3,Ga2O3，使，使膨脹系數(shù)下降，再增加則作為網(wǎng)絡改變體存在，膨脹系數(shù)下降，再增加則作為網(wǎng)絡改變體存在，又使膨脹系數(shù)增大。又使膨脹系數(shù)增大。高鍵力的離子如：高鍵力的離子如：Zn2+,Zr4+,Th4+等，它們處于網(wǎng)等，它們處于網(wǎng)絡間空隙，對周圍網(wǎng)絡起積聚作用，增加結(jié)構(gòu)的絡間空隙，對周圍網(wǎng)絡起積聚作用，增加結(jié)構(gòu)的緊密性，膨脹系數(shù)下降。

32、緊密性，膨脹系數(shù)下降。第46頁/共95頁0 10 20 30 40 R2O% (a)161284 106Li2OK2ONa2O15 10 0.5 Z/a2 (b)120110100 107Be2 Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+Zn2+Pb2+Cd2+ 0 8 16 24 32 B2O3 (c) 1078680Ga2O3Al2O3B2O3 各種正離子對各種正離子對玻璃的膨脹系數(shù)的影響玻璃的膨脹系數(shù)的影響(a) R2OSiO2(b) 18Na2O12RO70SiO2(c) 16Na2OxR2O3(84-x)SiO2第47頁/共95頁陶瓷是由不同晶相的晶粒和玻璃相組成陶瓷是由不同晶相的晶粒和玻璃相

33、組成,內(nèi)部有少內(nèi)部有少量氣相量氣相(微氣孔微氣孔) 。 從高溫到低溫各相膨脹系數(shù)不同從高溫到低溫各相膨脹系數(shù)不同,收縮也不同。收縮也不同。各晶粒相互間燒結(jié)成一整體各晶粒相互間燒結(jié)成一整體,每個晶粒受周圍晶粒每個晶粒受周圍晶粒的約束的約束,同時產(chǎn)生微應力。同時產(chǎn)生微應力。該應力的大小與晶粒自由收縮和整體收縮該應力的大小與晶粒自由收縮和整體收縮(晶粒受晶粒受約束時的收縮約束時的收縮)之差成正比。之差成正比。估算微應力估算微應力:假定假定: 收縮時無裂紋產(chǎn)生收縮時無裂紋產(chǎn)生,每個晶粒收縮和整體相同每個晶粒收縮和整體相同,所有應力是純壓應力或張應力所有應力是純壓應力或張應力,則晶粒所受應力為則晶粒所受

34、應力為: i= ( r i)T （2） 復合材料的熱膨脹第48頁/共95頁其中：其中： = -p/( /V)=E/3(12 )（體積模數(shù)或體（體積模數(shù)或體積彈性率）積彈性率） r -整體或平均體積熱膨脹系數(shù)；整體或平均體積熱膨脹系數(shù)； i -晶粒晶粒i的體積熱膨脹系數(shù)。的體積熱膨脹系數(shù)。令令V1、V2為各晶粒的體積分數(shù)，對整體，所有應力為各晶粒的體積分數(shù)，對整體，所有應力總和應等于零。總和應等于零。 1( r i)V1T+ 2( r i)V2T+=0總體積總體積 Vr= V1 + V2 晶粒晶粒 I的體積的體積Vi=Wi Vr/ I r =11W1/1 +11W1/1+ 1W1/1 +1W1/

35、1+第49頁/共95頁 注意：注意：復合體中有多晶轉(zhuǎn)變組分時，因多晶轉(zhuǎn)化的體積不均復合體中有多晶轉(zhuǎn)變組分時，因多晶轉(zhuǎn)化的體積不均勻變化，導致膨脹系數(shù)的不均勻變化。勻變化，導致膨脹系數(shù)的不均勻變化。復合體中不同相或晶粒的不同方向上膨脹系數(shù)不同。復合體中不同相或晶粒的不同方向上膨脹系數(shù)不同。0 25 50 75 100 氧化物重量百分比氧化物重量百分比252015105線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)106AlMgOWSiO2MgO-W及及Al-SiO2系系統(tǒng)玻璃統(tǒng)玻璃 的兩端及中間的兩端及中間組成的熱膨脹系數(shù)組成的熱膨脹系數(shù)第50頁/共95頁T1小小 具有具有:較少的振動模式較少的振動模式較小的振動振幅較小

36、的振動振幅較少的聲子被激發(fā)較少的聲子被激發(fā)較少的聲子數(shù)較少的聲子數(shù)T大具有大具有:較多的振動模式較多的振動模式較大的振動振幅較大的振動振幅較多的聲子被激發(fā)較多的聲子被激發(fā)較多的聲子數(shù)較多的聲子數(shù)聲子的熱傳導聲子的熱傳導平衡時：平衡時：同樣多的振動模式振同樣多的振動模式振同樣多的振動振幅同樣多的振動振幅同樣多的聲子被激發(fā)同樣多的聲子被激發(fā)同樣多的聲子數(shù)同樣多的聲子數(shù)1. 熱傳導熱傳導dT/dx(溫度梯度）溫度梯度）Q= - dT/dx（能流密度）（能流密度）J/s.cm2單位時間內(nèi)，通過單位面積的熱單位時間內(nèi)，通過單位面積的熱能能. -晶體的熱導系數(shù)晶體的熱導系數(shù)J/s.cm oC作用于作用于產(chǎn)

37、生產(chǎn)生電子電子聲子聲子晶體晶體光子光子4.3 熱傳導熱傳導 第51頁/共95頁從晶格格波的聲子理論可知，熱傳導過程從晶格格波的聲子理論可知，熱傳導過程-聲子從聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的擴散過程。高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的擴散過程。熱阻：熱阻： 聲子擴散過程中的各種散射。聲子擴散過程中的各種散射。根據(jù)氣體熱傳導的經(jīng)典分子動力學，熱傳導系數(shù)根據(jù)氣體熱傳導的經(jīng)典分子動力學，熱傳導系數(shù) ： =cvvl/32. 聲子的熱傳導機理第52頁/共95頁Cv：單位體積氣體分子的比熱-單位體積中聲子的比熱； v ：氣體分子的運動速度-聲子的運動速度； l：氣體分子的平均自由程-聲子的平均自由程。Cv在高溫時，接

38、近常數(shù)，在低溫時它隨T 3變化；聲速v 為一常數(shù)。主要討論影響聲子的自由程 l 的因素。第53頁/共95頁影響熱傳導性質(zhì)的聲子散射主要有四種機構(gòu)：影響熱傳導性質(zhì)的聲子散射主要有四種機構(gòu)： Kn =0形成新聲子的動量方向形成新聲子的動量方向和原來兩個聲子的方向和原來兩個聲子的方向相一致，此時無多大的相一致，此時無多大的熱阻。熱阻。 -正規(guī)過程正規(guī)過程 q1 + q2 = q 3+Kn或或 q1 + q2 Kn = q 3（1） 聲子的碰撞過程第54頁/共95頁q1 ，q2相當大時，相當大時， Kn 0，碰撞后，發(fā)生方向反轉(zhuǎn)，碰撞后，發(fā)生方向反轉(zhuǎn)，從而破壞了熱流方向產(chǎn)生從而破壞了熱流方向產(chǎn)生較大的

39、熱阻。較大的熱阻。翻轉(zhuǎn)過程（聲子碰撞）翻轉(zhuǎn)過程（聲子碰撞） Knq1 + q2 q2q1 q 3聲子碰撞的幾率： exp(-D/2T) 即溫度越高，聲子間的碰撞頻率越高，則聲子的平均自由程越短。第55頁/共95頁散射強弱與點缺陷的大小和聲子的波長相對大小有關。散射強弱與點缺陷的大小和聲子的波長相對大小有關。 qT在低溫時，為長波，波長比點缺在低溫時，為長波，波長比點缺陷大的多，估計陷大的多，估計 ： 波長波長 D a/T猶如光線照射微粒一樣，從雷利猶如光線照射微粒一樣，從雷利公式知公式知: 散射的幾率散射的幾率 1/ 4 T4,平均自由程與平均自由程與T4成反比成反比.在高溫時，聲子的波長和點

40、缺陷在高溫時，聲子的波長和點缺陷大小相近似，點缺陷引起的熱阻大小相近似，點缺陷引起的熱阻與溫度無關。平均自由程為一常與溫度無關。平均自由程為一常數(shù)。數(shù)。（2） 點缺陷的散射點缺陷的大小是原子的大?。旱?6頁/共95頁在位錯附近有應力場存在，引起聲子的散射，其散在位錯附近有應力場存在，引起聲子的散射，其散射與射與T2成正比。平均自由程與成正比。平均自由程與T2成反比。成反比。（3） 晶界散射聲子的平均自由程隨溫度降低而增長，增大到 晶粒大小時為止，即為一常數(shù)。晶界散射和晶粒的直徑d成反比，平均自由程與d成正比。（4） 位錯的散射第57頁/共95頁Cv聲子聲子 碰撞碰撞l點缺陷點缺陷l晶界晶界l

41、位錯位錯低溫低溫l T3 l exp( D/2T) l T -4l dl 1/ T2 T3 exp( D/2T) T -1 d T3 T高溫高溫常數(shù)常數(shù)exp( D/2T)常數(shù)常數(shù)(晶格晶格常數(shù)常數(shù)) 1/ T2 exp( D/2T)常數(shù)常數(shù) 導熱系數(shù)與溫度的關系導熱系數(shù)與溫度的關系第58頁/共95頁固體中的分子、原子和電子固體中的分子、原子和電子 振動、轉(zhuǎn)動振動、轉(zhuǎn)動 電磁波（光子）電磁波（光子）電磁波覆蓋了一個較寬的頻譜。其中具有較強熱效應電磁波覆蓋了一個較寬的頻譜。其中具有較強熱效應的在可見光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱的在可見光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱為熱射線。為熱

42、射線。熱射線的傳遞過程熱射線的傳遞過程-熱輻射。熱輻射。熱輻射在固體中的傳播過程和光在介質(zhì)中的傳播過程熱輻射在固體中的傳播過程和光在介質(zhì)中的傳播過程類似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。類似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。光子在介質(zhì)中的傳播過程光子在介質(zhì)中的傳播過程-光子的導熱過程。光子的導熱過程。3. 光子熱導第59頁/共95頁固體中的輻射傳熱過程的定性解釋：固體中的輻射傳熱過程的定性解釋：吸收吸收輻射輻射熱穩(wěn)定狀熱穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)輻射源輻射源T1T2能量轉(zhuǎn)移能量轉(zhuǎn)移 輻射能的傳遞能力：輻射能的傳遞能力： r= 16 n2T3lr /3 ： 波爾茲曼常數(shù)（波爾茲曼常數(shù)（5.6710-8W

43、/(m2K4)； n ：折射率；：折射率； lr： 光子的平均自由程。光子的平均自由程。第60頁/共95頁對于輻射線是透明的介質(zhì)，熱阻小，對于輻射線是透明的介質(zhì)，熱阻小， lr較大，如：較大，如：單晶、玻璃，在單晶、玻璃，在773-1273K輻射傳熱已很明顯；輻射傳熱已很明顯；對于輻射線是不透明的介質(zhì)，熱阻大，對于輻射線是不透明的介質(zhì)，熱阻大， lr很小，大很小，大多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在1773K高溫下輻射明顯；高溫下輻射明顯；對于完全不透明的介質(zhì)，對于完全不透明的介質(zhì)， lr=0，輻射傳熱可以忽略。輻射傳熱可以忽略。第61頁/共95頁 T3 40K 1600K ex

44、p( D/2T)熱輻射熱輻射氧化鋁氧化鋁單晶的單晶的熱導率熱導率隨溫度隨溫度的變化的變化（1） 溫度的影響4. 影響熱導率的因素第62頁/共95頁 0 400 800 1200 1600 200010.10.010.0010.0001Pt石墨石墨SiC粘土耐火磚粘土耐火磚SiO2玻璃玻璃粉末粉末MgO28000F隔熱磚隔熱磚20000F隔熱磚MgOAl2O3ZrO2溫度溫度(0C)BeO熱傳導系數(shù)熱傳導系數(shù)(卡卡/秒秒厘米厘米0C)第63頁/共95頁 線性簡諧振動時，幾乎無熱阻，熱阻是由非線性振動引起，即：晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。 物質(zhì)組分原子量之差越小，質(zhì)點的原子量越小，密度越小 德

45、拜溫度越大，結(jié)合能大熱傳導系數(shù)越大（2）化學組成的影響第64頁/共95頁 單質(zhì)具有較大的導熱單質(zhì)具有較大的導熱系數(shù)系數(shù)金剛石的熱傳導系數(shù)比金剛石的熱傳導系數(shù)比任何其他材料都大，常任何其他材料都大，常用于固體器件的基片。用于固體器件的基片。例如；例如；GaAs激光器做激光器做在上面，能輸出大功率。在上面，能輸出大功率。 較低原子量的正離子形成的氧化物和碳化物具有較高的熱傳導系數(shù)，如: BeO,SiC 510 30 100 300 原子量原子量UCSiBeBMgAlZnNiTh碳化物碳化物氧化物氧化物Ca Ti第65頁/共95頁 晶體是置換型固晶體是置換型固溶體，非計量化合溶體，非計量化合物時，熱

46、傳導系數(shù)物時，熱傳導系數(shù)降低。降低。 0 20 40 60 80 100MgO 體積分數(shù)體積分數(shù) NiO 熱傳導系數(shù)熱傳導系數(shù)(卡卡/秒厘米秒厘米0C0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 化學組成復雜的固體具有小的熱傳導系數(shù)如MgO,Al2O3和MgAl2O4結(jié)構(gòu)一樣，而MgAl2O4的熱傳導系數(shù)低，2Al2O33SiO2莫來石比尖晶石更小.第66頁/共95頁晶粒尺寸小、晶界多、晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界處雜質(zhì)缺陷多、晶界處雜質(zhì)多，對聲子散射大。多，對聲子散射大。A 晶體結(jié)構(gòu)越復雜，晶格振動偏離非線性越大，熱晶體結(jié)構(gòu)越復雜，晶格振動偏離非線性越大，熱導率越低。導率越

47、低。B 晶向不同，熱傳導系數(shù)也不一樣，如：石墨、晶向不同，熱傳導系數(shù)也不一樣，如：石墨、BN為層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)比層間的大為層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)比層間的大4倍，在空間技術倍，在空間技術中用于屏蔽材料。中用于屏蔽材料。C 多晶體與單晶體同一種物質(zhì)多晶體的熱導率總比多晶體與單晶體同一種物質(zhì)多晶體的熱導率總比單晶小。單晶小。(3) 結(jié)構(gòu)的影響第67頁/共95頁非晶體非晶體 晶體與非晶體晶體與非晶體0 T(K) 400600K 600900K 0 T(K) 可以把玻璃看作直徑為幾個晶格間距的極細晶粒組成可以把玻璃看作直徑為幾個晶格間距的極細晶粒組成的多晶體。的多晶體。（4）非晶體的熱導率）非晶體的熱導率第68頁

48、/共95頁說明：說明： 非晶體的聲子導熱系數(shù)非晶體的聲子導熱系數(shù) 在所有溫度下都比晶體?。辉谒袦囟认露急染w??； 兩者在高溫下比較接近；兩者在高溫下比較接近； 兩者曲線的重大區(qū)別在于晶體有一峰值。兩者曲線的重大區(qū)別在于晶體有一峰值。 第69頁/共95頁一般情況下，介于兩者曲線之間，可能出現(xiàn)三種情一般情況下，介于兩者曲線之間，可能出現(xiàn)三種情況：況： 當材料中所含有晶相比非晶相多時，在一般溫度當材料中所含有晶相比非晶相多時，在一般溫度以上，熱導率隨溫度上升而有所下降。在高溫下熱以上，熱導率隨溫度上升而有所下降。在高溫下熱導率基本上不隨溫度變化；導率基本上不隨溫度變化； 當材料中所含的非晶相比晶相

49、多時，熱導率隨溫當材料中所含的非晶相比晶相多時，熱導率隨溫度升高而增大；度升高而增大； 當材料中所含的非晶相比晶相多時，熱導率可以當材料中所含的非晶相比晶相多時，熱導率可以在一個相當?shù)姆秶鷥?nèi)基本保持常數(shù)。在一個相當?shù)姆秶鷥?nèi)基本保持常數(shù)。（5）晶相和非晶相同時存在第70頁/共95頁(6) 復合材料的熱導率復合材料的熱導率體積分數(shù)較小相為體積分數(shù)較小相為連續(xù)相（如液相）連續(xù)相（如液相）A 層狀模型的熱導率層狀模型的熱導率取決于每一相的熱導率和熱流方向：取決于每一相的熱導率和熱流方向：兩相材料的相分布模型層狀模型體積分數(shù)較大的相為連續(xù)相 第71頁/共95頁 熱流的方向平行于各層，兩相的溫度梯度相同，

50、則熱流的方向平行于各層，兩相的溫度梯度相同，則平行系統(tǒng)的熱阻率的倒數(shù)等于各層熱阻率的倒數(shù)之平行系統(tǒng)的熱阻率的倒數(shù)等于各層熱阻率的倒數(shù)之和：和： =V1 1+V2 2 當兩相的熱導率相差很大時，熱主要由傳熱較好的當兩相的熱導率相差很大時，熱主要由傳熱較好的相傳遞相傳遞 ： =V1 1 當熱流方向與平行層垂直時，通過所有各層的熱流當熱流方向與平行層垂直時，通過所有各層的熱流密度相同，但每一相中的溫度梯度不同，總熱阻率密度相同，但每一相中的溫度梯度不同，總熱阻率由各項熱阻率的加權(quán)平均給出，即由各項熱阻率的加權(quán)平均給出，即 1 / =V1 / 1+V2/ 2系統(tǒng)的熱導率幾乎只取決于導熱較差的相，當?shù)谝?/p>

51、系統(tǒng)的熱導率幾乎只取決于導熱較差的相，當?shù)谝幌鄬岵顣r：相導熱差時： 1 / =V1 / 1 第72頁/共95頁B 體積分數(shù)較大的相為連續(xù)相體積分數(shù)較大的相為連續(xù)相 兩相系統(tǒng)較好的模型（分散相的體積分數(shù)不超過兩相系統(tǒng)較好的模型（分散相的體積分數(shù)不超過10） 1-分散相的熱導率；分散相的熱導率； 2-連續(xù)相的熱導率連續(xù)相的熱導率.1( 2 / 1)(2 2 / 1)+11+2V11( 2 / 1)(2 2 / 1)+11V1= 2 2 / 111V11+V1/2= 2 2 / 11高溫，輻射在傳熱中開始發(fā)揮作用，此時，通過材高溫，輻射在傳熱中開始發(fā)揮作用，此時，通過材料中氣孔以輻射傳遞的熱量不可

52、忽略，輻射對傳熱料中氣孔以輻射傳遞的熱量不可忽略，輻射對傳熱貢獻正比于氣孔大小和溫度三次方。貢獻正比于氣孔大小和溫度三次方。 高溫，大的氣孔不僅不降低熱傳遞，而且在某種程高溫，大的氣孔不僅不降低熱傳遞，而且在某種程度上，隨著溫度的增加，大的氣孔增加有效熱導率。度上，隨著溫度的增加，大的氣孔增加有效熱導率。 無論在高溫或低溫，小的氣孔均阻礙熱流動，在多無論在高溫或低溫，小的氣孔均阻礙熱流動，在多相多孔材料中，熱傳遞的模式可能以很復雜的方式相多孔材料中，熱傳遞的模式可能以很復雜的方式隨溫度變化。隨溫度變化。第74頁/共95頁4.4 無機材料的熱穩(wěn)定性無機材料的熱穩(wěn)定性 熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承

53、受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。熱沖擊損壞的類型：抗熱沖擊斷裂性-材料發(fā)生瞬時斷裂；抗熱沖擊損傷性-在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表面開裂、剝落、并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。 第75頁/共95頁4.4.1 熱穩(wěn)定性的表示方法1 . 一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于室溫的流動水中急冷，并逐次提高溫度和重復急冷，直至觀察到試樣發(fā)生龜裂，則以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度0C表示。（日用瓷）2 . 試樣的一端加熱到某一溫度，并保溫一定時間，然后置于一定溫度的流動水中或在空氣中一定時間，重復這樣的操作，直至試樣失重20%為止，以其操作次數(shù)n表示。耐火材料 ： 1123K； 40min ；

54、 283293K； 3(5!0)min第76頁/共95頁在復合體中，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)之間或結(jié)晶在復合體中，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)之間或結(jié)晶學方向有大的差別，形成應力，如果該應力過大，就學方向有大的差別，形成應力，如果該應力過大，就可以在復合體中引起微裂紋。可以在復合體中引起微裂紋。在材料中存在微裂紋，測出的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)滯后現(xiàn)在材料中存在微裂紋，測出的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象象- 膨脹系數(shù)低于單晶的膨脹系數(shù)。膨脹系數(shù)低于單晶的膨脹系數(shù)。例如：在一些例如：在一些TiO2組成物中，有此現(xiàn)象。組成物中，有此現(xiàn)象。3 . 試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測其抗折強度的損失率，作為熱穩(wěn)定性

55、的指標。（高溫結(jié)構(gòu)材料）。4.4.2 熱應力第77頁/共95頁0 400 800 1200 溫度（溫度（0C）0.80.60.40.20.0膨脹（膨脹（%）由于存在顯微由于存在顯微裂紋而引起的裂紋而引起的多晶的熱膨脹多晶的熱膨脹滯后現(xiàn)象滯后現(xiàn)象1. 熱應力的產(chǎn)生（1）熱膨脹或收縮引起的熱應力）熱膨脹或收縮引起的熱應力當物體固定在支座之間，或固定在不同膨脹系數(shù)的當物體固定在支座之間，或固定在不同膨脹系數(shù)的材料上，膨脹受到約束時，在物體內(nèi)就形成應力材料上，膨脹受到約束時，在物體內(nèi)就形成應力-（顯微應力）。（顯微應力）。 第78頁/共95頁有有 x = z = T E / （1 )在在t=0的瞬間，

56、的瞬間， x = z = max ，如果正好達到材料的極，如果正好達到材料的極限抗拉強度限抗拉強度 f ，則前后兩表面開裂破壞，則前后兩表面開裂破壞，得得 Tmax= f (1 )/ E 對于其他平面薄板狀的材料：對于其他平面薄板狀的材料： Tmax=S/ f (1 )/ E S-形狀因子，形狀因子，Tmax-能承受的最大溫差能承受的最大溫差式中的其他參數(shù)都是材料的本征性能參數(shù)，可以推廣式中的其他參數(shù)都是材料的本征性能參數(shù)，可以推廣使用。使用。第79頁/共95頁4.4.3 抗熱沖擊斷裂性能考慮問題的出發(fā)點：考慮問題的出發(fā)點：從熱彈性力學的觀點出發(fā)從熱彈性力學的觀點出發(fā) ，以強度，以強度-應力為

57、判據(jù)，應力為判據(jù)，即材料中的熱應力達到強度極限時發(fā)生斷裂。即材料中的熱應力達到強度極限時發(fā)生斷裂。1. 第一熱應力斷裂抵抗因子R僅考慮最大的熱應力僅考慮最大的熱應力: Tmax= f (1 )/ E (1 )/ E 表征材料熱穩(wěn)定性的因子（第一熱應力斷表征材料熱穩(wěn)定性的因子（第一熱應力斷裂抵抗因子或第一熱應力因子）裂抵抗因子或第一熱應力因子）第80頁/共95頁考慮承受的最大溫差與最大熱應力、材料中的應力考慮承受的最大溫差與最大熱應力、材料中的應力分布、產(chǎn)生的速率和持續(xù)時間，材料的特性（塑性、分布、產(chǎn)生的速率和持續(xù)時間，材料的特性（塑性、均勻性、弛豫性），裂紋、缺陷、散熱有關。均勻性、弛豫性），

58、裂紋、缺陷、散熱有關。2. 第二熱應力斷裂抵抗因子第二熱應力斷裂抵抗因子R 第81頁/共95頁 材料的熱導率材料的熱導率 ：熱導率越大，傳熱越快，熱：熱導率越大，傳熱越快，熱應力持續(xù)一定時間后很快緩解，對熱穩(wěn)定性有利。應力持續(xù)一定時間后很快緩解，對熱穩(wěn)定性有利。 傳熱的途徑：材料的厚薄傳熱的途徑：材料的厚薄2rm，薄的材料傳熱，薄的材料傳熱途徑短，易使溫度均勻快。途徑短，易使溫度均勻快。 材料的表面散熱速率：表面向外散熱快，材料材料的表面散熱速率：表面向外散熱快，材料內(nèi)外溫差大，熱應力大，引入表面熱傳遞系數(shù)內(nèi)外溫差大，熱應力大，引入表面熱傳遞系數(shù)h-材料表面溫度比周圍環(huán)境高單位溫度，在單位表材

59、料表面溫度比周圍環(huán)境高單位溫度，在單位表面積上，單位時間帶走的熱量（面積上，單位時間帶走的熱量（J/scm2oC)。影響散熱的三方面因素，綜合為畢奧模數(shù)影響散熱的三方面因素，綜合為畢奧模數(shù) =hrm/ ，無單位。無單位。 越大對熱穩(wěn)定性不利。越大對熱穩(wěn)定性不利。材料的散熱與下列因素有關第82頁/共95頁條件條件 h(J/scm2oC)空氣流過圓柱體空氣流過圓柱體 流速流速287kg/(sm2) 0.109 流速流速120 0.050 流速流速12 0.0113 流速流速0.12 0.0011 從從1000oC向向0oC輻射輻射 0.0147 從從500oC向向0oC輻射輻射 0.00398水淬

60、水淬 0.44.1噴氣渦輪機葉片噴氣渦輪機葉片 0.0210.08 h實測值實測值第83頁/共95頁無因次表面應力無因次表面應力由于散熱等因素，使引起的最大熱應力滯后，且數(shù)值由于散熱等因素，使引起的最大熱應力滯后，且數(shù)值折減。折減。 = / max -無因次表面應力無因次表面應力=20105 321.51.00.50.1時間時間無因次應力*具有不同具有不同 的無限平板的無的無限平板的無因次應力因次應力 *隨時間的變化隨時間的變化 *越大，實測的最大應力越大，實測的最大應力越大，折減越小。越大，折減越小。 越大，越大， *越大，折減越越大，折減越小。小。達到達到 最大都需經(jīng)過一定時最大都需經(jīng)過一