第一章-材料的熱學(xué)性能(新)ppt

1、 2緒論緒論3本書主要內(nèi)容本書主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：材料的幾類主要性能：熱學(xué)性能熱學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能電性能電性能磁性磁性學(xué)習目的：學(xué)習目的：1.了解材料的各類性能；了解材料的各類性能；2.學(xué)習一些材料性能的表征及測試方法；學(xué)習一些材料性能的表征及測試方法；3.加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。材料在使用過程中，將對環(huán)境溫度作出響應(yīng)，表現(xiàn)出不同的熱學(xué)性能，包括熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性等。主要內(nèi)容n熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)n材料的熱容n材料的熱膨脹n材料的熱傳導(dǎo)n材料的熱穩(wěn)定性熱力學(xué)平衡狀態(tài)動態(tài)平衡（統(tǒng)計）熱平衡：系統(tǒng)內(nèi)無隔熱壁時系統(tǒng)溫度處處相等；系統(tǒng)與環(huán)境之間

2、無隔熱壁時系統(tǒng)與環(huán)境溫度相等。力平衡無剛性壁時，無受力不均現(xiàn)象。相平衡各相之間不隨時間發(fā)生變化?；瘜W(xué)平衡化學(xué)組成和物質(zhì)數(shù)量不隨時間變化。1.1 熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)熱力學(xué)第一定律能量守恒，只說明了功、熱 轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系；熱力學(xué)第二定律過程的方向性熱力學(xué)第三定律規(guī)定熵完美晶體含義：完美晶體是指晶格中排列的粒子(分子,原子或離子)只以一種方式整齊排列,沒有缺陷或錯位,是理想的單晶。 玻璃態(tài)的固體、固溶體以及復(fù)晶等都不是。定義：G=H-TS 物理意義：等T、P，除體積變化所做的功外，從系統(tǒng)所能獲得的最大功。如果發(fā)生的是不可逆過程，反應(yīng)總是朝著吉布斯自由能減小的方向進行。 麥克斯韋方程表明溫度一定時，H

3、隨體積的增大而增加。 在低溫時，TS項的貢獻很小，所以吉布斯自由能在低溫下主要取決于H 。因此原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的自由能大于原子排列密集結(jié)構(gòu)的自由能，也就是說，在低溫下，相比較而言，密排結(jié)構(gòu)屬于穩(wěn)定相。 相反，在高溫時，TS貢獻趨于很大，此時系統(tǒng)的吉布斯自由能主要取決于TS，由于原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的熵大于密排結(jié)構(gòu)的熵，因此，在高溫下，原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的自由能小，相對原子密排結(jié)構(gòu)而言屬于穩(wěn)定相。熱性能的物理本質(zhì)晶格熱振動晶格熱振動：晶格熱振動：晶體點陣中的質(zhì)點（原子或離子）總是圍晶體點陣中的質(zhì)點（原子或離子）總是圍繞著平衡位置作微小振動，稱之繞著平衡位置作微小振動，稱之晶體熱振動晶體熱振動。溫

4、度，動能頻率、振幅1Ni()i動 能熱 量各質(zhì)點熱運動時動能的總和，就是該物體的熱量，即 晶格振動的能量及聲子的概念 n En =n210量子理論的回顧某一質(zhì)點的能量為：Enhnh （n為量子數(shù)）普朗克常數(shù)記為普朗克常數(shù)記為 h ，是一個物理常數(shù)，用以描述量子大小。在，是一個物理常數(shù)，用以描述量子大小。在量子力學(xué)中占有重要的角色，馬克斯量子力學(xué)中占有重要的角色，馬克斯普朗克在普朗克在1900年研究物年研究物體熱輻射的規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連體熱輻射的規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進行的，計算的結(jié)果才能和試驗結(jié)果是續(xù)的，而是一份一份地進行的，

5、計算的結(jié)果才能和試驗結(jié)果是相符。這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于相符。這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，為輻射電磁波的頻率，h為一常量，叫為普朗克常數(shù)。為一常量，叫為普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)的值約為：h=6.626069310-34Js 格波的能量同樣也是量子化的，我們把聲頻支格波的量子（最小能量單位）叫聲子。把格波的傳播看成是聲子的運動，就可以把格波與物質(zhì)的相互作用理解為聲子和物質(zhì)的碰撞，把格波在晶體中傳播時遇到的散射看作是聲子同晶體中質(zhì)點的碰撞，把理想晶體中熱阻（表征材料對熱傳導(dǎo)的阻隔能力）歸結(jié)為聲子-聲子的碰撞。 材料從周圍環(huán)境中吸收

6、熱量，晶格熱振動加劇，周圍環(huán)境中吸收熱量，晶格熱振動加劇，溫度升高。熱容體現(xiàn)了材料從周圍環(huán)境中吸收熱量溫度升高。熱容體現(xiàn)了材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力。的能力。1.2 材料的熱容TTTQC 熱容的基本概念熱容的基本概念 熱容（熱容（heat/thermal capacityheat/thermal capacity）定義：定義：熱容是使熱容是使材料溫度升高材料溫度升高1k所需的能量，它反映材料從周圍環(huán)所需的能量，它反映材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力。境中吸收熱量的能力。量綱：量綱：J/K 。不同溫度下，熱容不同。不同溫度下，熱容不同。12 TTQC均均 平均熱容平均熱容：是指物質(zhì)從：是指物質(zhì)

7、從T1溫度到溫度到T2溫度所吸收的熱溫度所吸收的熱量的平均值。量的平均值。 （較粗略，應(yīng)用時要特別注意溫度范圍。）（較粗略，應(yīng)用時要特別注意溫度范圍。） （1 1）熱容是物系的容量性質(zhì)，與物質(zhì)的量有關(guān)：）熱容是物系的容量性質(zhì)，與物質(zhì)的量有關(guān)： 比熱比熱：單位質(zhì)量的熱容，：單位質(zhì)量的熱容， J J.K-1.Kg-1 。 摩爾熱容摩爾熱容：1mol物質(zhì)的熱容，物質(zhì)的熱容，J J.K-1.mol-1。 PPPTHTQC熱容恒壓vvvTUTQC：恒恒容容熱熱容容 （2）熱容是一個過程量，與熱過程有關(guān)熱容是一個過程量，與熱過程有關(guān) ： 一般一般 Cp Cv， Cp測定簡單，測定簡單，Cv更有理論意義。更

8、有理論意義。 對于凝聚物系對于凝聚物系CpCv，但高溫時，相差較大，但高溫時，相差較大。 Cv = = 3R 25 J J.K-1.mol-1 (1)熱容的經(jīng)驗定律與經(jīng)典定律熱容的經(jīng)驗定律與經(jīng)典定律 a、元素熱容定律、元素熱容定律-杜隆杜隆-珀替定律珀替定律：在室溫和高溫下，大多數(shù)元：在室溫和高溫下，大多數(shù)元素的原子熱容為素的原子熱容為25 J J.K-1.mol-1（即為（即為3R) 成功之處：高溫下與試驗結(jié)果基本符合。成功之處：高溫下與試驗結(jié)果基本符合。 對于輕元素的原子熱容需改用如下數(shù)值：對于輕元素的原子熱容需改用如下數(shù)值：元素元素HBCOFSiPSClCp /（ J J.K-1.mol

9、-1 ） 9.611.37.516.720.915.922.522.520.4 b、化合物定律化合物定律-柯普（柯普（Kopp）定律）定律：化合物分：化合物分子熱容等于構(gòu)成此化合物各元素原子熱容之和。子熱容等于構(gòu)成此化合物各元素原子熱容之和。即即 c = ni ci則在高溫時化合物摩爾熱容，則在高溫時化合物摩爾熱容，Cv 25 25n J J.K-1.mol-1 如：如：NaCl，n=2；BaCl2， n=3。 杜隆杜隆-珀替定律珀替定律局限性局限性： 不能說明低溫下，熱容隨溫度的降低而減不能說明低溫下，熱容隨溫度的降低而減 小，在接近絕對零度時，熱容按小，在接近絕對零度時，熱容按T的三次方趨

10、的三次方趨近與零的試驗結(jié)果。近與零的試驗結(jié)果。 c、經(jīng)典熱容理論經(jīng)典熱容理論-均分原理均分原理 固體中每一個原子能獨立地在三個垂直方向上振動，且每一個振動在任意瞬固體中每一個原子能獨立地在三個垂直方向上振動，且每一個振動在任意瞬間都有與之相關(guān)的位能和動能。間都有與之相關(guān)的位能和動能。 一個給定原子的瞬間能量需要用三個相互垂直的坐標系來描述。若采用一個速一個給定原子的瞬間能量需要用三個相互垂直的坐標系來描述。若采用一個速度和一個位置坐標系，則總共六個獨立參數(shù)，每個原子的平均熱能為度和一個位置坐標系，則總共六個獨立參數(shù)，每個原子的平均熱能為6( (kT/2)/2)，故，故此固體的總熱能為此固體的總

11、熱能為3 3nkT， (n(n為原子數(shù)目為原子數(shù)目) )，或或3NAkT J/mol，(NA為每摩爾的原子數(shù)為每摩爾的原子數(shù)目目)，故摩爾熱容為（根據(jù)熱容定義）：故摩爾熱容為（根據(jù)熱容定義）： Cv=3=3NAk=3 3R25 J25 J.K-1.mol-1 這就是這就是杜隆杜隆-珀替定律珀替定律。 愛因斯坦模型近似該模型假定：每個振子都是獨立的振子，原子之間彼此無關(guān)，每個振子振動的角頻率相同。 （2）晶態(tài)固體熱容的量子理論與德拜(Debye)T3回顧e稱為愛因斯坦溫度討論:(1)當溫度很高時TE，則有 此即經(jīng)典的杜隆-珀替公式。也就是說，量子理論所導(dǎo)出的熱容值如按愛因斯坦的簡化模型計算，在高

12、溫時與經(jīng)典公式一致。3EeCvRfT3Re3ETvCR (2)當T趨于零時,Cv逐漸減小;當T=0時, Cv=0,這都是愛因斯坦模型與實驗相符之處; (3)但在低溫時，愛因斯坦模型中，Cv與溫度呈指數(shù)律變化;23EETCvReT與實驗得出按T3變化規(guī)律仍有偏差。德拜（Debye）模型近似（德拜T3定律） TNkfCDDv3德拜模型認為：晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振德拜模型認為：晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振動，即較長的聲頻支在低溫下的振動。動，即較長的聲頻支在低溫下的振動。 D-德拜特征溫度TfDD-德拜比熱函數(shù)當溫度較高時，當溫度較高時，T D D ，Cv = 3Nk=3 3R (J

13、J.K-1.mol-1);當溫度較低時，當溫度較低時， T D D ， ，即當，即當T0時，時， （Cv T3），），Cv 0。此為著名的德拜。此為著名的德拜T3與實驗結(jié)果相吻合。與實驗結(jié)果相吻合。34)(512DvTNkC材料不同，材料不同， D 溫度不同，溫度不同，D取決于材料的鍵的強取決于材料的鍵的強度、彈性模量和熔點。度、彈性模量和熔點。 一般一般D0.20.5Tm，Tm為熔點。為熔點。0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 T/ E64.1854.1844.1834.1824.1814.18Cv(J/moloC金剛石熱金剛石熱容的實驗容的實驗值與計

14、算值與計算值的比較值的比較 其中其中 E =1320kn德拜理論在低溫下也不完全符合事實。主要原因是德拜模型把晶體看成是連續(xù)介質(zhì)，這對于原子振動頻率較高部分不適用；而對于金屬材料，在溫度很低時，自由電子對熱容的貢獻亦不可忽略。 注：以上有關(guān)熱容的量子理論適用于原子晶體和一注：以上有關(guān)熱容的量子理論適用于原子晶體和一部分較簡單的離子晶體。部分較簡單的離子晶體。材料的熱容及其影響因素材料的熱容及其影響因素n（1）金屬和合金的熱容n第區(qū)（I區(qū)已被放大），溫度范圍為05 K， 。n第區(qū)，溫度區(qū)間很大， 。n第區(qū)，熱容趨于一常數(shù)，即3R JK-1mol-1。n第區(qū)，當溫度遠高于德拜溫度D時，熱容曲線呈平

15、緩上升趨勢。其增加部分主要是金屬中自由電子熱容的貢獻。Tcmv,3,Tcmvcv,m / （JK-1mol-1） D溫度 / K5 K金屬銅的恒容摩爾熱容隨溫度變化曲線金屬銅的恒容摩爾熱容隨溫度變化曲線關(guān)于金屬熱容的說明：n一般情況下，常溫時點陣振動貢獻的熱容遠大于電子熱容，只有在溫度極低或極高時，電子熱容才不能被忽略。n對于過渡族金屬，由于s層、d層、f層電子都會參與振動，對熱容作出貢獻，也就是說過渡族金屬的電子熱容貢獻較大，因此，過渡族金屬的定容熱容遠大于簡單金屬。nb) 合金熱容n合金及固溶體等的熱容由組元原子熱容按比例相加而得，其數(shù)學(xué)表達式為n n式中：ni為合金中各組成的原子百分數(shù)；

16、cp,m,i為各組成的原子恒壓摩爾熱容。n計算的熱容值與實驗值相差不大于4%，但該式不適用于低溫條件或鐵磁性合金。impimpcnc,（2）陶瓷材料的熱容及其影響因素n1、高于、高于D ，熱容為常數(shù)或隨溫度只作微小的變，熱容為常數(shù)或隨溫度只作微小的變化。此溫度即為化。此溫度即為D。n 絕大多數(shù)氧化物、碳化物，熱容都是從低溫時一個低的數(shù)值增加絕大多數(shù)氧化物、碳化物，熱容都是從低溫時一個低的數(shù)值增加到到1273K（1000 ）左右一個近似數(shù)值，溫度進一步增加，熱容基本）左右一個近似數(shù)值，溫度進一步增加，熱容基本上沒有什么變化上沒有什么變化,。 在溫度增加到1273 K左右時，趨近于25n JK-1

17、mol-1。n2、 材料的熱容是結(jié)構(gòu)不敏感性能，材料的熱容是結(jié)構(gòu)不敏感性能，與材料的結(jié)構(gòu)的關(guān)與材料的結(jié)構(gòu)的關(guān)系不大，具有一定的加和性，但在相變時，由于熱量的系不大，具有一定的加和性，但在相變時，由于熱量的不連續(xù)變化，熱容也出現(xiàn)了突變不連續(xù)變化，熱容也出現(xiàn)了突變(相變有多晶轉(zhuǎn)化，鐵電相變有多晶轉(zhuǎn)化，鐵電轉(zhuǎn)變，有序無序轉(zhuǎn)變等轉(zhuǎn)變，有序無序轉(zhuǎn)變等) 。注意：單位體積的熱容與氣孔率有關(guān)。注意：單位體積的熱容與氣孔率有關(guān)。多孔材料由于質(zhì)量輕，所以熱容小，因此，提高多孔材料由于質(zhì)量輕，所以熱容小，因此，提高輕質(zhì)隔熱磚的溫度所需要的熱量遠低于致密的耐輕質(zhì)隔熱磚的溫度所需要的熱量遠低于致密的耐火磚。火磚。n3

18、 3、一般情況下，熱容由實驗測定、一般情況下，熱容由實驗測定 可用如下經(jīng)驗公式：可用如下經(jīng)驗公式： Cp = a + bT + cT-2 單位單位: :J.K-1.mol-1（即（即Cal .K-1.mol-1 )， 其具體數(shù)值可查有關(guān)其具體數(shù)值可查有關(guān)手冊（注意其適用溫度范圍）。手冊（注意其適用溫度范圍）。多相復(fù)合材料的熱容約等于構(gòu)成該復(fù)合材料的物質(zhì)的熱容之多相復(fù)合材料的熱容約等于構(gòu)成該復(fù)合材料的物質(zhì)的熱容之和。和。 c = gi ci 式中，式中， gi ：材料中第：材料中第i種組成的重量百分數(shù)，種組成的重量百分數(shù)，ci ：材料中第：材料中第i種組成的比熱容。種組成的比熱容。3）組織轉(zhuǎn)變對

19、熱容的影響）組織轉(zhuǎn)變對熱容的影響 對于一級相變：對于一級相變：在相變點，熱容發(fā)生突變，熱容為無限大在相變點，熱容發(fā)生突變，熱容為無限大 對于二級相變：對于二級相變：熱容也有變化，但為有限值熱容也有變化，但為有限值1.3 材料的熱膨脹1. 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) 1）概念：）概念：用來描述溫度變化時材料發(fā)生膨脹或收縮程度的物理量。用來描述溫度變化時材料發(fā)生膨脹或收縮程度的物理量。n假設(shè)物體原來的長度為，溫度升高后長度的增加量為，實驗得出假設(shè)物體原來的長度為，溫度升高后長度的增加量為，實驗得出n式中：式中：l為線膨脹系數(shù)，即溫度升高為線膨脹系數(shù)，即溫度升高1K時，物體的相對伸長量。同理，物體時，物體的相

20、對伸長量。同理，物體體積隨溫度的增加可表示為體積隨溫度的增加可表示為 n式中：式中： V為體膨脹系數(shù)，相當于溫度升高為體膨脹系數(shù)，相當于溫度升高1K時物體體積相對增長值。時物體體積相對增長值。0llTl0(1)TVVVT3Vln如果物體是立方體，有如果物體是立方體，有 n對于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假設(shè)分別為對于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假設(shè)分別為a, 、b、c，則，則 n材料的熱膨脹系數(shù)大小直接與熱穩(wěn)定性有關(guān)。一般愈小，材料熱穩(wěn)定材料的熱膨脹系數(shù)大小直接與熱穩(wěn)定性有關(guān)。一般愈小，材料熱穩(wěn)定性愈好。例如性愈好。例如Si3N4的的=2.710-6K-1，在陶

21、瓷材料中是偏低的，因此熱穩(wěn)，在陶瓷材料中是偏低的，因此熱穩(wěn)定性也好。定性也好。 3VlVabc某些無機材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線某些無機材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線實際上固體材料的實際上固體材料的T值并不是一個常數(shù)，而隨溫值并不是一個常數(shù)，而隨溫度變化，通常隨溫度升高而加大。度變化，通常隨溫度升高而加大。無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)一般較小，約無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)一般較小，約為為10-6）K-1。各種金屬和合金在各種金屬和合金在0-100的線膨脹系數(shù)約的線膨脹系數(shù)約為為10-5K-1 ， 鋼的線膨脹系數(shù)多在（鋼的線膨脹系數(shù)多在（10-20） 10-6）K-1范圍。范圍。1.3 材料的

22、熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)熱膨脹本質(zhì) 1）唯象解釋：）唯象解釋：熱膨脹的本質(zhì)為點陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點間熱膨脹的本質(zhì)為點陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點間平均距離隨溫度的升高而增大。平均距離隨溫度的升高而增大。 在質(zhì)點平衡位置在質(zhì)點平衡位置r0兩側(cè)：兩側(cè)： rr0 斜率小，引力隨位移增加慢。斜率小，引力隨位移增加慢。 因此，在一定溫度下，平衡位置不在因此，在一定溫度下，平衡位置不在ro處，而是向處，而是向右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨脹。脹。Curve勢能一原子間距離曲線勢能一原子間距離曲線假想的假想的實際的實際的熱膨脹現(xiàn)象解釋熱膨脹現(xiàn)象解釋1.3 材料的熱膨脹3.熱膨脹

23、與性能的關(guān)系熱膨脹與性能的關(guān)系 1）熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系：）熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系：質(zhì)點間的結(jié)合力越強，熱膨脹系數(shù)越小，熔點越高。質(zhì)點間的結(jié)合力越強，熱膨脹系數(shù)越小，熔點越高。金屬和無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)較??；聚金屬和無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)較??；聚合物材料則較大。合物材料則較大。 鍵強與熱膨脹鍵強與熱膨脹熱膨脹和結(jié)合能、熔點的關(guān)系一般：原子半徑 小 小 熱膨脹系數(shù) 結(jié)合能 大 小 熱膨脹系數(shù) 熔點 高 小 熱膨脹系數(shù)(3)熱膨脹和結(jié)構(gòu)的關(guān)系熱膨脹和結(jié)構(gòu)的關(guān)系 a a、結(jié)構(gòu)致密程度、結(jié)構(gòu)致密程度 組成相同，結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，膨脹系數(shù)不相同。組成相同，結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，膨脹系數(shù)不相同

24、。 結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大；結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大； 類似于無定形的玻璃，往往有較小的膨脹系數(shù)。類似于無定形的玻璃，往往有較小的膨脹系數(shù)。結(jié)構(gòu)緊密的多晶二元化合物都具有比玻璃大的膨脹結(jié)構(gòu)緊密的多晶二元化合物都具有比玻璃大的膨脹系數(shù)。系數(shù)。（原因：因為玻璃的結(jié)構(gòu)較疏松，內(nèi)部空隙多，所（原因：因為玻璃的結(jié)構(gòu)較疏松，內(nèi)部空隙多，所以當溫度升高時，原子振幅加大，原子間距離增加以當溫度升高時，原子振幅加大，原子間距離增加時，部分地被結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙所容納，而整個物體時，部分地被結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙所容納，而整個物體宏觀的膨脹量就少些。宏觀的膨脹量就少些。 ）(1) 熱膨脹與溫度的關(guān)系熱膨脹與溫度的關(guān)

25、系tan/dT dr0011.tanldLLdTdrr dTr溫度T越低，tan越小，則越小，反之，溫度T越高，則越大。2）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系平衡位置隨溫度的變化吸收能量吸收能量 升高溫度升高溫度溫度升高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 =Cv （2）熱膨脹與熱容的關(guān)系）熱膨脹與熱容的關(guān)系伸長率升高溫度= l l 、 Cv與溫度有相似的規(guī)律與溫度有相似的規(guī)律n材料的導(dǎo)熱性n在超大規(guī)模集成電路在超大規(guī)模集成電路（容量和密集度迅速增大）中，要（容量和密集度迅速增大）中，要求集成塊的基底材料導(dǎo)熱性能優(yōu)良。求集成塊的基底材料導(dǎo)

26、熱性能優(yōu)良。 關(guān)鍵是尋找出既能絕緣，又具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料。關(guān)鍵是尋找出既能絕緣，又具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料。 n彩電等多種電路中彩電等多種電路中廣泛應(yīng)用的大功率管，其底部的有機廣泛應(yīng)用的大功率管，其底部的有機絕緣片，為了散熱而要求具有良好的熱導(dǎo)性。絕緣片，為了散熱而要求具有良好的熱導(dǎo)性。 n固體材料熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律-1-1:W.m .K1 .dTQS tdxs （1）傅立葉導(dǎo)熱定律）傅立葉導(dǎo)熱定律穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱物體內(nèi)的溫度分布不隨時間改變物體內(nèi)的溫度分布不隨時間改變熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率反映了材料的導(dǎo)熱能力。熱導(dǎo)率很大的物體是優(yōu)良的熱導(dǎo)體；而熱導(dǎo)率小的是熱的不良導(dǎo)體或為熱絕緣體。 熱導(dǎo)率的物理意義

27、為：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位橫截面的熱量。 不穩(wěn)定傳熱不穩(wěn)定傳熱（2）熱擴散率（導(dǎo)溫系數(shù)）熱擴散率（導(dǎo)溫系數(shù)） 22xTCtTppcaa稱為導(dǎo)溫系數(shù)或熱擴散率，m2s-1，表征材料在溫度變化時，材料內(nèi)部溫度趨于均勻的能力。在相同加熱或冷卻條件下，a愈大，物體各處溫差愈小，愈有利于熱穩(wěn)定性。n固體材料熱傳導(dǎo)的微觀機理 固體中的導(dǎo)熱主要是由自由電子的運動（固體中的導(dǎo)熱主要是由自由電子的運動（金屬材金屬材料料）和晶體振動的格波（）和晶體振動的格波（無機非金屬材料無機非金屬材料）來實現(xiàn)）來實現(xiàn)的。的。（1）金屬的熱傳導(dǎo)）金屬的熱傳導(dǎo)n對于純金屬，導(dǎo)熱主要靠自由電子。對于純金屬，導(dǎo)熱主要靠自由

28、電子。由于有大量的自由電子存在，由于有大量的自由電子存在，且電子的質(zhì)量很輕，所以可迅速地實現(xiàn)熱的傳遞。因此，金屬材料且電子的質(zhì)量很輕，所以可迅速地實現(xiàn)熱的傳遞。因此，金屬材料一般都有較大的熱導(dǎo)率。一般都有較大的熱導(dǎo)率。雖然晶格振動對金屬導(dǎo)熱也有貢獻，但是雖然晶格振動對金屬導(dǎo)熱也有貢獻，但是是次要的。合金的導(dǎo)率要同時考慮聲子導(dǎo)熱的貢獻。是次要的。合金的導(dǎo)率要同時考慮聲子導(dǎo)熱的貢獻。CV為單位體積氣體熱容；為單位體積氣體熱容；v 為分子平均運動速度；為分子平均運動速度；l為分子運動為分子運動平均自由程平均自由程。 理想氣體熱導(dǎo)率的表達式為理想氣體熱導(dǎo)率的表達式為:l vcV31平均自由程：在一定的

29、條件下，一個氣體分子在連續(xù)兩次碰撞之間可能通過的各段自由程的平均值。 CV為單位體積自由電子熱容；為單位體積自由電子熱容；v 為自由電子平均運動速度；為自由電子平均運動速度；l為自由電子運動為自由電子運動平均自由程平均自由程。 自由電子熱導(dǎo)率的表達式為自由電子熱導(dǎo)率的表達式為:l vcV31（2）無機非金屬材料的熱傳導(dǎo)）無機非金屬材料的熱傳導(dǎo)n為了便于討論晶格振動的相互作用，人們提出了聲子的概念，那為了便于討論晶格振動的相互作用，人們提出了聲子的概念，那么晶格振動熱傳導(dǎo)就變成聲子熱導(dǎo)。么晶格振動熱傳導(dǎo)就變成聲子熱導(dǎo)。n無機非金屬材料，晶格中自由電子極少，因此，它們的導(dǎo)熱主要是無機非金屬材料，晶

30、格中自由電子極少，因此，它們的導(dǎo)熱主要是依靠晶格振動的格波來實現(xiàn)。材料內(nèi)存在溫度差時，晶格中處于較依靠晶格振動的格波來實現(xiàn)。材料內(nèi)存在溫度差時，晶格中處于較高溫度的質(zhì)點振動較強烈，其臨近溫度較低的質(zhì)點熱振動較弱。由高溫度的質(zhì)點振動較強烈，其臨近溫度較低的質(zhì)點熱振動較弱。由于質(zhì)點間存在著相互作用力，振動較弱的質(zhì)點在振動較強的質(zhì)點的于質(zhì)點間存在著相互作用力，振動較弱的質(zhì)點在振動較強的質(zhì)點的影響下振動加劇，能量增加，這樣，能量從高溫處向低溫處轉(zhuǎn)移。影響下振動加劇，能量增加，這樣，能量從高溫處向低溫處轉(zhuǎn)移。na) 聲子和聲子熱導(dǎo)聲子和聲子熱導(dǎo) 13Vcvld（2）無機非金屬材料的熱傳導(dǎo)）無機非金屬材料

31、的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)過程-聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的 擴散過程。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。CV為聲子體積熱容，是聲子振動頻率為聲子體積熱容，是聲子振動頻率u的函數(shù)的函數(shù)； 為聲子的平均速度；為聲子的平均速度；l為聲子的為聲子的平均自由程，平均自由程，也是聲子振動頻率也是聲子振動頻率u的函數(shù)的函數(shù)。 v :通?？煽醋鞒?shù);熱容cV:在低溫時與T3成正比，當TD時，cV趨于恒定值。自由程l:隨溫度升高而下降，但實驗證明其隨溫度變化有極限值。即低溫時，自由程l的上限為晶粒線度；高溫時，自由程l的下限為幾個晶格間距。

32、 v 13Vcvldn聲子間碰撞引起的散射是晶體中熱阻的主要來源。聲子間碰撞引起的散射是晶體中熱阻的主要來源。 晶體中熱量傳遞速度很遲緩，因為晶格熱振動格波間有著一定的耦合作用，聲子間會產(chǎn)生碰撞，使聲子的平均自由程減小。 格波間相互作用愈強，也即聲子間碰撞幾率愈大，相應(yīng)的平均自由程愈小，熱導(dǎo)率也就愈低。聲子的平均自由程受到如下幾個因素的影響：n 晶體中的各種缺陷、雜質(zhì)以及晶界都會引起格波的散射，等效于聲子平均自由程的減小，從而降低。n 平均自由程還與溫度T有關(guān)。溫度升高，振動能量加大，振動頻率加快，聲子間的碰撞增多，故平均自由程減小。但其減小有一定的限度，在高溫下，最小的平均自由程等于幾個晶格

33、間距；反之，在低溫時，最長的平均自由程長達晶粒的尺度。nb) 光子傳導(dǎo)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(yīng)的電磁波覆蓋了一個較寬的頻譜。其中具有較強熱效應(yīng)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。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)中的傳播過程類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。似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。光

34、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(dǎo)熱過程。光子的導(dǎo)熱過程。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)定熱穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)體積元體積元TT1T2在一定的溫度下，物體能輻射出一定頻率的射線且溫度越在一定的溫度下，物體能輻射出一定頻率的射線且溫度越高輻射的能量越大，同樣也能吸收周圍物體輻射的射線。熱穩(wěn)高輻射的能量越大，同樣也能吸收周圍物體輻射的射線。熱穩(wěn)定狀態(tài)下，輻射和吸收的能量相等，沒有能量轉(zhuǎn)移。定狀態(tài)下，輻射和吸收的能量相等，沒有能量轉(zhuǎn)移。在非熱穩(wěn)定狀態(tài)下，高溫體積元輻射的能量被低溫體積元在非熱穩(wěn)定狀態(tài)下，高溫體積元輻射的能量被低溫體積元吸

35、收，同時吸收低溫體積元介質(zhì)輻射的能量。這樣高溫體積元吸收，同時吸收低溫體積元介質(zhì)輻射的能量。這樣高溫體積元的能量減少，而低溫體積元介質(zhì)能量增加。的能量減少，而低溫體積元介質(zhì)能量增加。結(jié)果：能量從高溫體積元傳向低溫體積元。結(jié)果：能量從高溫體積元傳向低溫體積元。體積元體積元T2T1非熱穩(wěn)非熱穩(wěn)定狀態(tài)定狀態(tài)T2體積元：體積元：輻射輻射吸收吸收體積元和體積元：體積元和體積元：輻射吸收輻射吸收體積元：體積元：吸收吸收輻射輻射 輻射能的傳遞能力：輻射能的傳遞能力： r= 16/3 n2T3lr ： 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)（波爾茲曼常數(shù)（5.6710-8W/(m2K4)； n ：折射率；：折射率； lr

36、： 光子的平均自由程。光子的平均自由程。（1）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；較大；如：單晶、玻璃，在如：單晶、玻璃，在773-1273K輻射傳熱已很明顯；輻射傳熱已很明顯；（2）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??；很??；大多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在大多數(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；（3）對于完全不透明的介質(zhì)，）對于完全不透明的介質(zhì)， lr=0，輻射傳熱可以忽輻射傳熱可以忽略。略。決定光子傳導(dǎo)的主要因素是光子的自由程。影響熱導(dǎo)率的因素n（1）影響金屬熱導(dǎo)率的因素）影響金屬

37、熱導(dǎo)率的因素na) 溫度的影響溫度的影響熱 導(dǎo)熱 導(dǎo)率率/（W cm-1K-1）純銅（純銅（99.999%）熱導(dǎo)率曲線）熱導(dǎo)率曲線幾種金屬稍高溫度下的熱導(dǎo)率幾種金屬稍高溫度下的熱導(dǎo)率熱 導(dǎo)熱 導(dǎo)率率/（W cm-1K-1）nb) 晶粒大小的影響n一般情況是晶粒粗大，熱導(dǎo)率高；晶粒愈小，熱導(dǎo)率愈低c) 立方晶系的熱導(dǎo)率與晶向無關(guān)；非立方晶系晶體熱導(dǎo)率表現(xiàn)出各向異性。nd) 雜質(zhì)將強烈影響熱導(dǎo)率。兩種金屬構(gòu)成連續(xù)無序固溶體時，熱導(dǎo)率隨溶質(zhì)組元濃度增兩種金屬構(gòu)成連續(xù)無序固溶體時，熱導(dǎo)率隨溶質(zhì)組元濃度增加而降低。加而降低。（2）影響無機非金屬材料熱導(dǎo)率的因素）影響無機非金屬材料熱導(dǎo)率的因素n溫度的影響

38、 l vcV31 :通?？煽醋鞒?shù);熱容cV:在低溫時與T3成正比，當TD時，cV趨于恒定值。自由程l:隨溫度升高而下降，但實驗證明其隨溫度變化有極限值。即低溫時，自由程l的上限為晶粒線度；高溫時，自由程l的下限為幾個晶格間距。 v迅速上升區(qū)迅速上升區(qū)極大值區(qū)極大值區(qū)迅速下降區(qū)迅速下降區(qū)緩慢下降區(qū)緩慢下降區(qū)結(jié)論結(jié)論對于一般的非金屬晶體對于一般的非金屬晶體材料在使用過程中，隨材料在使用過程中，隨 溫度升高，熱導(dǎo)率下降。溫度升高，熱導(dǎo)率下降。 線性簡諧振動時，幾乎無熱阻，熱阻是由非線性簡諧振動時，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，線性振動引起，即：晶格偏離諧振程度越大，

39、熱阻越大，熱傳導(dǎo)系數(shù)越小。熱阻越大，熱傳導(dǎo)系數(shù)越小。 化學(xué)組成的影響化學(xué)組成的影響 單質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱單質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù)金剛石的熱傳導(dǎo)系數(shù)比金剛石的熱傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)，如較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，如: BeO,SiC 5 10 30 100 300 原子量原子量UCSiBeBMgAlZnNiTh碳化物碳化物氧化物氧化物Ca Ti 晶體是置換型

40、固晶體是置換型固溶體，非計量化合溶體，非計量化合物時，熱傳導(dǎo)系數(shù)物時，熱傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)熱傳導(dǎo)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(xué)組成復(fù)雜的化學(xué)組成復(fù)雜的固體具有小的熱傳固體具有小的熱傳導(dǎo)系數(shù)導(dǎo)系數(shù)如如MgO,Al2O3和和MgAl2O4結(jié)構(gòu)一樣，結(jié)構(gòu)一樣，而而MgAl2O4的熱傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)系數(shù)低，系數(shù)低，2Al2O33SiO2莫來石莫來石比尖晶石更小比尖晶石更小. 單質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱單質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)系數(shù)金剛石的熱傳導(dǎo)系數(shù)比金剛石的熱傳導(dǎo)系數(shù)比任何其

41、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(dǎo)系數(shù)，如較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，如: BeO,SiC 5 10 30 100 300 原子量原子量UCSiBeBMgAlZnNiTh碳化物碳化物氧化物氧化物Ca Ti 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，熱傳導(dǎo)系數(shù)物時，熱傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)熱

42、傳導(dǎo)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(xué)組成復(fù)雜的化學(xué)組成復(fù)雜的固體具有小的熱傳固體具有小的熱傳導(dǎo)系數(shù)導(dǎo)系數(shù)如如MgO,Al2O3和和MgAl2O4結(jié)構(gòu)一樣，結(jié)構(gòu)一樣，而而MgAl2O4的熱傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)系數(shù)低，系數(shù)低，2Al2O33SiO2莫來石莫來石比尖晶石更小比尖晶石更小.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)多，缺陷多、晶界處雜質(zhì)多，對聲子散射大。對聲子散射大。A 晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動偏離非線性越大，熱晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動偏離非線性越大，熱導(dǎo)率越低導(dǎo)率越低。B 晶向不同，熱傳導(dǎo)系數(shù)也不一樣晶向不同，熱傳導(dǎo)

43、系數(shù)也不一樣，如：石墨、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(shù)倍，在空間技術(shù)中用于屏蔽材料。中用于屏蔽材料。C 同一種物質(zhì)多晶體的熱導(dǎo)率總比單晶小同一種物質(zhì)多晶體的熱導(dǎo)率總比單晶小。(思考思考:為什么為什么?) 顯微結(jié)構(gòu)的影響顯微結(jié)構(gòu)的影響思考:為何在低溫時,單晶與多晶的導(dǎo)熱系數(shù)相近?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。成的多晶體。非晶體的熱導(dǎo)率非晶體的熱導(dǎo)率i) 中低溫(400600K)主

44、要是聲子導(dǎo)熱，此時，由于溫度升高，熱容C也升高，故導(dǎo)熱系數(shù)也升高。相當于圖上的OF段。 ii) 中溫到較高溫度(600900K)熱容漸變?yōu)槌?shù)，故導(dǎo)熱系數(shù)也為常數(shù)，相當于圖上的Fg段，若考慮光子導(dǎo)熱，則為Fg段。iii) 高溫( 900K)，聲子導(dǎo)熱變化仍不變大，gh段，但光子的平均自由行程增大，光子與T3成比例，從而出現(xiàn)gh段。對不透明材料，光子導(dǎo)熱很小，不會出現(xiàn)此段。n晶體與非晶體導(dǎo)熱的差別：ni)非晶體的導(dǎo)熱系數(shù)(不計光子導(dǎo)熱的貢獻)，都比晶體小，非 T0 時，時， 0，桿受壓應(yīng)力，桿受壓應(yīng)力 T0，桿受拉應(yīng)力，桿受拉應(yīng)力1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性 2） 因溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)

45、力因溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力 物體迅速加熱時，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相物體迅速加熱時，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力表面受壓應(yīng)力，而，而相鄰內(nèi)部材料受相鄰內(nèi)部材料受拉應(yīng)力拉應(yīng)力。同理，迅速冷卻時（如淬火），。同理，迅速冷卻時（如淬火），表面受拉應(yīng)力表面受拉應(yīng)力，相鄰，相鄰內(nèi)部材料受內(nèi)部材料受壓縮應(yīng)力壓縮應(yīng)力。 3） 多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力A B A B A B1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性3. 抗熱沖擊斷裂性能：

46、抗熱沖擊斷裂性能： 1） 第一熱應(yīng)力抵抗因子第一熱應(yīng)力抵抗因子R： 當最大熱應(yīng)力值當最大熱應(yīng)力值max f (強度極限），材料就不會斷裂，材料所能承受的溫差越強度極限），材料就不會斷裂，材料所能承受的溫差越大，材料的熱穩(wěn)定性就越好。大，材料的熱穩(wěn)定性就越好。ERf)1 ( R：第一熱應(yīng)力因子；：第一熱應(yīng)力因子； ：泊松比；：泊松比；a: 熱膨脹系數(shù)；熱膨脹系數(shù)；E：彈性模量：彈性模量 1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能抗熱沖擊斷裂性能： 2） 第二熱應(yīng)力抵抗因子第二熱應(yīng)力抵抗因子R： 熱穩(wěn)定性除與熱穩(wěn)定性除與Tmax相關(guān)外，還與下列因素有關(guān)：相關(guān)外，還與下列因素有關(guān)： a

47、) 材料熱導(dǎo)率材料熱導(dǎo)率： 增加，其熱應(yīng)力小增加，其熱應(yīng)力小 b) 傳熱的途徑：傳熱的途徑：材料愈薄，愈易達到溫度均勻材料愈薄，愈易達到溫度均勻 c) 材料表面散熱率：材料表面散熱率：表面熱傳遞系數(shù)表面熱傳遞系數(shù)h, h越大，其熱穩(wěn)定性越差。越大，其熱穩(wěn)定性越差。 如材料樣品的厚度為如材料樣品的厚度為rm, 則有畢奧模數(shù)則有畢奧模數(shù) khrm 顯然，顯然， 大，對熱穩(wěn)定性不利大，對熱穩(wěn)定性不利 1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：抗熱沖擊斷裂性能： 2） 第二熱應(yīng)力抵抗因子第二熱應(yīng)力抵抗因子R： 單位：單位：(J/cm/S) ,如考慮樣品的形狀則有：如考慮樣品的形狀則有：

48、 lf、EkR)1 ( S為非平板樣品的形狀因子。為非平板樣品的形狀因子。討論：具有高的熱導(dǎo)率討論：具有高的熱導(dǎo)率, 高的斷裂強度，低的熱膨脹系數(shù)和彈性模高的斷裂強度，低的熱膨脹系數(shù)和彈性模E，則具有高熱沖擊斷，則具有高熱沖擊斷 裂性能。裂性能。 3） 第三熱應(yīng)力抵抗因子第三熱應(yīng)力抵抗因子R （明確最大冷卻速率）（明確最大冷卻速率）4.抗熱沖擊損傷性抗熱沖擊損傷性n適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。n瞬時不斷裂的原因是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所瞬時不斷裂的原因是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所釘扎。釘扎。n例如：耐火磚中含有氣孔率時具有最好的抗熱沖擊

49、損例如：耐火磚中含有氣孔率時具有最好的抗熱沖擊損傷性，但氣孔的存在會降低材料的強度和熱導(dǎo)率，熱傷性，但氣孔的存在會降低材料的強度和熱導(dǎo)率，熱應(yīng)力因子減小。應(yīng)力因子減小。1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性從斷裂力學(xué)的觀點出發(fā)以應(yīng)變能從斷裂力學(xué)的觀點出發(fā)以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)。斷裂能為判據(jù)。材料中微裂紋擴展、蔓延的程度，積存的彈性應(yīng)材料中微裂紋擴展、蔓延的程度，積存的彈性應(yīng)變能、裂紋擴展的斷裂表面能影響材料的抗熱損變能、裂紋擴展的斷裂表面能影響材料的抗熱損傷性。傷性。積存的彈性應(yīng)變能較小，材料的擴展??；裂紋擴積存的彈性應(yīng)變能較小，材料的擴展??；裂紋擴展的斷裂表面能大，裂紋的蔓延程度小。展的斷裂表

50、面能大，裂紋的蔓延程度小。1. 考慮問題的出發(fā)點考慮問題的出發(fā)點抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。的釋放率。 RE/ 2(1 ) 材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。斷裂表面能的材料。 RE2 eff/ 2(1 )用于比較具有不同斷裂表面能的材料。用于比較具有不同斷裂表面能的材料。強度高的材料原有裂紋在熱應(yīng)力的作用下容易擴展強度高的材料原有裂紋在熱應(yīng)力的作用下容易擴展蔓延，對熱穩(wěn)定性不利。蔓延，對熱穩(wěn)定性不利。2 . 抗熱應(yīng)力損傷因子抗熱應(yīng)力損傷因子5.材料熱穩(wěn)

51、定性的測定材料熱穩(wěn)定性的測定n陶瓷熱穩(wěn)定性測定方法一般是把試樣加熱到一定的溫度，接著放入適當溫度的水中，判定方法為： 根據(jù)試樣出現(xiàn)裂紋或損壞到一定程度時，所經(jīng)受的熱變換次數(shù)； 經(jīng)過一定的次數(shù)的熱冷變換后機械強度降低的程度來決定熱穩(wěn)定性； 試樣出現(xiàn)裂紋時經(jīng)受的熱冷最大溫差來表示試樣的熱穩(wěn)定性，溫差愈大，熱穩(wěn)定性愈好。n玻璃材料穩(wěn)定性測定方法實驗中常將一定數(shù)量的玻璃試樣在立式管狀電爐中加熱，使樣品內(nèi)外的溫度均勻，然后使之驟冷，用放大鏡考察，看試樣不破裂時所能承受的最大溫差。對相同組成的各塊樣品，最大溫差并不是固定不變的，所以測定一種玻璃的穩(wěn)定性，必須取多個試樣，并進行平行實驗。1.5 材料的熱穩(wěn)定

52、性材料的熱穩(wěn)定性1.6 熱分析技術(shù)的應(yīng)用nICTA定義：熱分析是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)。n說明：n程序控制溫度：固定加熱或冷卻速率n物理性質(zhì)：質(zhì)量、溫度、熱焓、尺寸、力學(xué)性能、電學(xué)及磁學(xué)性質(zhì)等。n溫度探測：熱電偶（原理是什么？）熱分析分類：n熱重測量法（TG）n差熱分析法（DTA）n差示掃描量熱法（DSC）熱重測量法測量物質(zhì)的質(zhì)量溫度（m=f（T)）n質(zhì)量而不是重量TG曲線示意圖差熱分析n物質(zhì)與參比物之間的溫度差溫度（TT或t）DTA示意圖nDTA曲線的幾何要素：n(1) 零線：理想狀態(tài)T=0的線，圖中AE； n(2) 基線：實際條件下試樣無熱效應(yīng)時的曲線部份

53、，圖中AB和DE；n(3) 吸熱峰：TSTR , T0 時的曲線部份；n(5) 起始溫度（Ti）：熱效應(yīng)發(fā)生時曲線開始偏離基線的溫度；n(6) 終止溫度（Tf）：曲線開始回到基線的溫度；n(7) 峰頂溫度（TP）：吸、放熱峰的峰形頂部的溫度，該點瞬間 d(T)/dt=0；n(8) 峰高：是指內(nèi)插基線與峰頂之間的距離，如CF；n(9) 峰面積：是指峰形與內(nèi)插基線所圍面積，如BCDB；n(10) 外推起始點：是指峰的起始邊鈄率最大處所作切線與外推基線的交點，如圖中的G點，其對應(yīng)的溫度稱為外推起始溫度（Teo）；根據(jù)ICTA共同試樣的測定結(jié)果，以外推起始溫度（ Teo ）最為接近熱力學(xué)平衡溫度。lDTA曲線中信息：l峰的數(shù)目、位置、方向、高度、寬度和面積等均具有一定的