材料物理性能-材料的熱學(xué)性能0912

第二章材料的熱學(xué)性能江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容4.2材料的熱膨脹性4.3材料的熱傳導(dǎo)4.4材料的熱穩(wěn)定性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容4.1.1固體熱容理論1、熱容量的經(jīng)驗(yàn)定律材料在溫度上升或下降時(shí)要吸熱或放熱，在沒(méi)有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量(Q)稱(chēng)作該材料的熱容。用C表示。顯然，質(zhì)量不同熱容不同，溫度不同熱容也不同。比熱容單位:J/(Kg),摩爾熱容單位:J/(Kmol)。平均熱容：是指物質(zhì)從T1溫度到T2溫度所吸收的熱量的平均值。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容第二節(jié)熱容熱容分類(lèi):1)比熱容(質(zhì)量熱容)

2）平均熱容3)比定壓熱容當(dāng)加熱過(guò)程在恒壓條件下進(jìn)行時(shí)，所測(cè)定的比熱容，cp表示。4)比定容熱容

加熱過(guò)程在保持物體體積不變的條件下進(jìn)行時(shí)，所測(cè)定的比熱容，cv表示。

一般Cp>Cv，Cp測(cè)定簡(jiǎn)單，Cv更有理論意義。對(duì)于凝聚物系Cp≈Cv，但高溫時(shí)，相差較大。5)摩爾熱容1摩爾材料所具有的熱容，單位：J/(mol?K)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容熱容的經(jīng)驗(yàn)定律與經(jīng)典定律Cv=3R≈25J.K-1.mol-1

a）元素?zé)崛荻?-杜隆-珀替定律：在室溫和高溫下，大多數(shù)元素的原子熱容為24.9J.K-1.mol-1（即為3R)

成功之處：高溫下與試驗(yàn)結(jié)果基本符合。

對(duì)于輕元素的原子熱容需改用如下數(shù)值：元素HBCOFSiPSClCp/（J.K-1.mol-1

）9.611.37.516.720.915.922.522.520.4江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容b）化合物定律--柯普（Kopp）定律：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。即c=∑nici則在高溫時(shí)化合物摩爾熱容，Cv≈25n

J.K-1.mol-1，如：NaCl，n=2；BaCl2，n=3。杜隆-珀替定律局限性：不能說(shuō)明低溫下，熱容隨溫度的降低而減小，在接近絕對(duì)零度時(shí)，熱容按T的三次方趨近于零的試驗(yàn)結(jié)果。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容2、熱容量的經(jīng)典理論在固體中用諧振子代表每個(gè)原子在一個(gè)自由度的振動(dòng)，能量按自由度均分，每一自由度的振動(dòng)的平均動(dòng)能和平均勢(shì)能為0.5kT，每個(gè)原子有三個(gè)振動(dòng)自由度，平均動(dòng)能和勢(shì)能之和為3kT,具有N個(gè)原子的固體的總能量為:3NkT

這就是杜隆-珀替定律。3、熱容量的愛(ài)因斯坦模型(1)晶體中原子的振動(dòng)是相互獨(dú)立的；(2)所有原子都以相同的頻率作振動(dòng)。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容令

通常用愛(ài)因斯坦溫度E代替頻率0，定義為kB

E=0，江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容

愛(ài)因斯坦熱容函數(shù)。愛(ài)因斯坦溫度E確定：取上式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合，使得在比熱顯著改變的溫度范圍內(nèi)，理論曲線(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)好的符合，與選取合適的E值。對(duì)于大多數(shù)固體材料，E在100

300K的范圍內(nèi)。所以江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容高溫時(shí)，當(dāng)T>>E時(shí)，江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容低溫時(shí)，當(dāng)T<<E時(shí)，缺陷：當(dāng)溫度很低時(shí)，絕熱體的熱容以T3趨于零，但愛(ài)因斯坦模型中CV比T3更快的趨于零。與實(shí)驗(yàn)誤差較大。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容產(chǎn)生原因：按照愛(ài)因斯坦溫度的定義，愛(ài)因斯坦頻率E大約為1013Hz，處于遠(yuǎn)紅外光頻區(qū)，相當(dāng)于長(zhǎng)光學(xué)波極限。而具體計(jì)算表明，在甚低溫度下，格波的頻率很低，屬于長(zhǎng)聲學(xué)波，也就是說(shuō)，在甚低溫度下，晶體的熱容主要由長(zhǎng)聲學(xué)波決定。因此愛(ài)因斯坦模型在低溫時(shí)不能與實(shí)驗(yàn)相吻合。kB

E=E，江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容4、晶體熱容的德拜模型1）晶體視為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，格波視為彈性波；模型:2）有一支縱波兩支橫波；3）晶格振動(dòng)頻率在之間(D為德拜頻率)。計(jì)算---德拜熱容函數(shù)取德拜溫度德拜溫度是一個(gè)重要的參數(shù)，與材料的彈性模數(shù)、熔點(diǎn)及鍵的強(qiáng)度有關(guān)系；不同的材料具有不同的德拜溫度。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容其中(1)當(dāng)T較高時(shí)，x<<1，3.高低溫極限情況討論江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)規(guī)律和經(jīng)典理論相吻合。(2)當(dāng)溫度較低溫時(shí)，由上式看出，在極低溫度下，比熱與T3成正比，這個(gè)規(guī)律稱(chēng)為德拜理論。該理論在低溫極限是嚴(yán)格正確的。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容(1)忽略了晶體的各向異性；德拜熱容理論模型的局限性原因：(2)高溫時(shí)忽略了一些頻率大于德拜截至頻率的光學(xué)波和高頻聲學(xué)波對(duì)熱容的貢獻(xiàn)。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容注意：①上述熱容量子模型，適合于金屬晶體和部分簡(jiǎn)單離子晶體，但并不完全適合于其他化合物；②實(shí)際材料存在多相結(jié)構(gòu)，并有晶界、雜質(zhì)等缺陷的存在，理論計(jì)算誤差就會(huì)增大；③實(shí)際上電子運(yùn)動(dòng)能量的變化對(duì)熱容也有貢獻(xiàn)，但很??；只有當(dāng)溫度很低時(shí)，電子熱容就成為不可忽略的因素。④德拜模型解釋不了超導(dǎo)現(xiàn)象。聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二、影響材料熱容的因素1、金屬和合金的熱容：金屬與其他固體的重要差別是其內(nèi)部有大量的自由電子，因此必須考慮自由電子對(duì)金屬熱容的貢獻(xiàn)。4.1熱容自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)根據(jù)費(fèi)米-狄拉克定律，可得自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)為：由此可見(jiàn)，金屬的熱容由晶格振動(dòng)和自由電子兩部分的貢獻(xiàn)組成，即：聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四、影響熱容的因素1、對(duì)于固體材料，熱容與材料的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系不大4.1熱容聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四、影響熱容的因素1、對(duì)于固體材料，熱容與材料的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系不大4.1熱容2、相變產(chǎn)生額外的熱效應(yīng)，因此對(duì)熱容產(chǎn)生影響一級(jí)相變：相變時(shí)兩相化學(xué)勢(shì)相等，焓有突變，但化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商不相等；相變時(shí)有潛熱和體積的變化。二級(jí)相變：相變時(shí)兩相化學(xué)勢(shì)相等，焓無(wú)突變，化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商相等，但二級(jí)偏微商不相等；相變時(shí)無(wú)潛熱和體積的變化，但熱容、熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化。晶體熔融、升華；液體結(jié)晶、蒸發(fā)；氣體凝聚、冷凝以及晶體中大多數(shù)晶型轉(zhuǎn)變都屬一級(jí)相變；合金有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變、鐵磁性－順磁性轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變等均屬于二級(jí)相變。4.1熱容江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4、溫度對(duì)熱容的影響熱容與溫度的關(guān)系一般由實(shí)驗(yàn)確定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以整理可以得到如下的經(jīng)驗(yàn)公式：3、氣孔率對(duì)熱容的影響雖然固體材料的摩爾熱容不是結(jié)構(gòu)敏感的，但對(duì)于多孔材料因?yàn)橘|(zhì)量輕，所以比熱容小，因此提高輕質(zhì)隔熱磚的溫度所需要的熱量遠(yuǎn)低于致密的耐火磚。4.1熱容江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院表3.1某些無(wú)機(jī)材料的熱容-溫度關(guān)系經(jīng)驗(yàn)方程式系數(shù)4.1熱容江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院5、組成對(duì)熱容的影響多組成材料（多相合金，復(fù)合材料）應(yīng)當(dāng)復(fù)合加和關(guān)系，即物質(zhì)的摩爾熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容的綜合。C=Σnici。式中，ni：多組成材料中元素i的摩爾數(shù)；ci：元素i的摩爾熱容。4.1熱容江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容五、熱容的測(cè)定固體熱容通常采用混合法和電熱法來(lái)測(cè)定。1、混合法測(cè)量固體材料的比熱容T：曲管溫度計(jì)；P：攪拌器；J：套筒；C：量熱器桶；G：保溫用玻璃棉混合法測(cè)量固體材料的比熱容是在加熱器和量熱器中進(jìn)行。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容1.1、測(cè)量原理混合法測(cè)量固體材料的比熱容是采用熱平衡原理。①將質(zhì)量為m的待測(cè)固體試樣加熱到T2;②將質(zhì)量為m，溫度為T(mén)2的待測(cè)固體試樣投入到量熱器的水中，量熱器的熱容為q，水的質(zhì)量為m0,c0。待測(cè)固體試樣投入水中之前的溫度為T(mén)1?；旌虾蟮臏囟葹門(mén)3。③忽略量熱器與外界熱交換，按照熱平衡原理，待測(cè)試樣熱容為：江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容①設(shè)量熱器筒和攪拌器由相同的物質(zhì)組成，質(zhì)量為m1,比熱容為c1，溫度計(jì)插入水中部分的體積為V，則②采用混合法確定量熱器筒q冷水質(zhì)量水和量熱器的溫度熱水質(zhì)量熱水的溫度混合溫度水的熱容1.2、量熱器熱容q的確定江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容2、電熱法測(cè)定熱容江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容加熱前溫度為T(mén)1

；通以電流I，加熱器電壓為V，加熱時(shí)間為t,被測(cè)物的質(zhì)量被測(cè)物的熱容量熱器中水的質(zhì)量水的比熱容量熱器的質(zhì)量量熱器的比熱容加熱器的熱容溫度計(jì)插入水中部分熱容江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容六、熱分析方法應(yīng)用1、熱分析方法定義根據(jù)材料在不同溫度下發(fā)生熱量、質(zhì)量、體積等物理參數(shù)與材料組織結(jié)構(gòu)之間關(guān)系，對(duì)材料進(jìn)行分析研究的方法稱(chēng)為熱分析方法即在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)物理性質(zhì)隨溫度變化的一類(lèi)技術(shù)。2、熱分析方法分類(lèi)（1）差熱分析DTA(DifferentialThermalAnalysis)（2）差示掃描量熱法DSC(DifferentialScanningCalorimetry)（3）熱重法TG(ThermalGravimetry)（4）熱膨脹分析(見(jiàn)熱膨脹部分)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容2.1、差熱分析

DTA儀器原理圖1－測(cè)量系統(tǒng)；2－加熱爐；3－溫度程序控制器；4－記錄儀差熱分析是在程序控制溫度下，將被測(cè)材料與參比物在相同條件下加熱或冷卻，測(cè)量試樣與參比物之間溫差(ΔT)隨溫度或時(shí)間的變化關(guān)系。江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容a－反應(yīng)起始點(diǎn)；b－峰頂點(diǎn)；c－反應(yīng)終點(diǎn)※

峰面積S和熱效應(yīng)成正比，△H＝KS；S越大，表明儀器越靈敏差熱分析廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)、硅酸鹽、陶瓷、礦物金屬、航天耐溫材料等相變、分解、凝固、脫水等物理或化學(xué)反應(yīng)，是無(wú)機(jī)、有機(jī)、特別是高分子聚合物、玻璃鋼等方面熱分析的重要儀器。DTA吸熱轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)實(shí)例江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容2.2、差示掃描量熱法DSC在程序控制溫度下，測(cè)量試樣和參比物的溫度差保持為零時(shí)，所要補(bǔ)充的熱量與溫度或時(shí)間的關(guān)系。一般分為功率補(bǔ)償功率差示掃描量熱法和熱流式差示掃描量熱法。

(a)功率補(bǔ)償型DSC原理圖(b)高純銦的DSC分析曲線(xiàn)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容2.3、熱重法TG熱重法是在溫度程序控制下，測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量的變化與溫度之間關(guān)系的技術(shù)。熱重法測(cè)定CuSO4·5H2O的失水率江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.1熱容3、熱分析方法應(yīng)用①物質(zhì)鑒定②研究相變過(guò)程，確定工藝溫度wc=0.74%的碳鋼相變中藥鑒定：同一物質(zhì)具有相同熱圖譜，不同物質(zhì)的熱圖譜不一樣，即有各自的特征峰形。這是熱分析用于藥材鑒定的依據(jù)。1：淬火后回火加熱2：預(yù)先回火試樣再加熱Ⅰ：淬火馬氏體→回火馬氏體；Ⅱ：殘余奧氏體分解，析出碳化鐵；Ⅲ：碳化鐵→滲碳體，位錯(cuò)減少江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院一、熱膨脹定義二、熱膨脹機(jī)理三、熱膨脹與其他性能的關(guān)系四、影響熱膨脹系數(shù)的因素五、熱膨脹系數(shù)測(cè)定及應(yīng)用4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院一、熱膨脹定義物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱(chēng)為熱膨脹。熱膨脹采用線(xiàn)膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)來(lái)表示。①線(xiàn)膨脹系數(shù)：即溫度升高1K時(shí)，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)。用表示。平均線(xiàn)膨脹系數(shù)取極限T溫度真線(xiàn)膨脹系數(shù)線(xiàn)膨脹系數(shù)的單位為K-1。4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院②體積膨脹系數(shù)：溫度升高1K時(shí)物體體積相對(duì)增長(zhǎng)值。用表示。對(duì)于各向同性的材料，對(duì)于各向異性的材料，設(shè)各方向線(xiàn)膨脹系數(shù)為4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院注意：①固體的熱膨脹系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，通常隨溫度升高而增大；②無(wú)機(jī)材料熱膨脹系數(shù)較小，約為10-5-10-6K-1；各種金屬和合金約為10-5-10-6K-1；鋼的熱膨脹系數(shù)(10-20)×10-6K-1；③材料線(xiàn)膨脹系數(shù)一般用平均線(xiàn)膨脹系數(shù)表征。二、熱膨脹機(jī)理在晶格振動(dòng)理論中，將勢(shì)能函數(shù)在平衡位置展成級(jí)數(shù)：4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院按一般簡(jiǎn)諧振動(dòng)把近似互作用能保留到二次項(xiàng)則有rU(r)r0考慮非簡(jiǎn)諧效應(yīng)4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院①受力不對(duì)稱(chēng)溫度升高,振幅增大,質(zhì)點(diǎn)在平衡位置受力不對(duì)稱(chēng)情況越顯著,平衡位置向右移動(dòng)越多,相鄰質(zhì)點(diǎn)間平均距離就增加得越多,導(dǎo)致原子間距增大,晶體膨脹.4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院②位能不對(duì)稱(chēng)溫度升高,平均位置移動(dòng)越遠(yuǎn),原子平均距離就增加得越多,產(chǎn)生晶體膨脹.此外,晶體中各種熱缺陷的形成也會(huì)造成晶格畸變和膨脹,在高溫尤為重要。4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院三、熱膨脹與其他性能的關(guān)系1、熱膨脹與熱容的關(guān)系由于二者引起的機(jī)理一致，故變化趨勢(shì)相同。但高溫下由于熱平衡缺陷，造成點(diǎn)陣畸變，故α增大較顯著。Al2O3

的比熱容、線(xiàn)膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2、熱膨脹與結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系其中：Tm—熔點(diǎn)；VTm—熔點(diǎn)時(shí)的體積；V0—0K時(shí)的體積；C—不同材料的值不同。晶體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同時(shí)，結(jié)合能越大，熔點(diǎn)越高，而α越小。格留乃申方程反映了這種相反的變化趨勢(shì)：4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院四、影響熱膨脹系數(shù)的因素①鍵強(qiáng)度鍵強(qiáng)度高的材料，具有低的熱膨脹系數(shù)；②晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于成分相同的材料，結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)較大，而類(lèi)似非晶態(tài)玻璃結(jié)構(gòu)比較松散的材料，具有較小的熱膨脹系數(shù)；③晶軸方向?qū)τ诜堑容S晶系的晶體，晶軸方向不同，熱膨脹系數(shù)不同；致密的晶體學(xué)方向，α小。如石墨的垂直于C軸的層間膨脹系數(shù)較小，而平行于C軸的垂直層的膨脹系數(shù)較大；4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院④相變相變伴隨的點(diǎn)陣重構(gòu)引起附加的⊿L，而α∝⊿L/⊿T4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院⑤合金的溶質(zhì)元素由簡(jiǎn)單金屬與非鐵磁性金屬組成的單相均勻固溶體合金的膨脹系數(shù)一般介于兩組元膨脹系數(shù)之間，且隨溶質(zhì)原子濃度的變化呈直線(xiàn)式變化。加入錳和錫使鐵膨脹系數(shù)增大，而加入鉻和釩使鐵的膨脹系數(shù)變小。⑥相組成、合金成分多相合金的膨脹系數(shù)僅取決于組成相性質(zhì)和數(shù)量，介于各組成相膨脹系數(shù)之間，可近似按各相所占體積百分?jǐn)?shù)，依混合定則粗賂估算。4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院五、熱膨脹系數(shù)測(cè)定及應(yīng)用1、熱膨脹系數(shù)測(cè)定關(guān)鍵是如何將微小的△L放大？①機(jī)械放大：利用千分表將將試樣伸長(zhǎng)量△L放大。如：頂桿式膨脹儀②光學(xué)放大：利用光杠桿，通過(guò)光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度將試樣伸長(zhǎng)量△L放大。如光學(xué)膨脹儀。

③電磁放大：將△L轉(zhuǎn)換為△V以后放大。如差動(dòng)變壓器法4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室中的熱膨脹儀4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院

光杠桿結(jié)構(gòu)示意圖1.1光學(xué)放大：4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院

差動(dòng)變壓器膨脹儀結(jié)構(gòu)示意圖左圖：差動(dòng)變壓器原理圖；右圖：儀器結(jié)構(gòu)圖1.2電磁放大：4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2、熱膨脹應(yīng)用陶瓷和釉的膨脹系數(shù)要適應(yīng)。釉的膨脹系數(shù)要小于陶瓷的膨脹系數(shù)，但不能小太多。精密儀表零件、電子封裝器件等需要防止膨脹，以提高儀器精度。4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院熱膨脹法確定鋼相變的臨界點(diǎn)研究相變溫度相變時(shí)，組織轉(zhuǎn)變會(huì)附加體積效應(yīng)，從而使膨脹曲線(xiàn)產(chǎn)生拐折。4.2材料的熱膨脹性江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院一、熱傳導(dǎo)定義二、熱傳導(dǎo)微觀機(jī)理三、影響熱傳導(dǎo)性能的因素四、熱導(dǎo)率測(cè)定及應(yīng)用4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院一、熱傳導(dǎo)定義當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時(shí)，熱量就會(huì)從熱端自動(dòng)傳向冷端，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。對(duì)于各向同性物質(zhì)，熱傳導(dǎo)滿(mǎn)足傅里葉定律：xΔST2T1T2>T1熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)，其物理意義是指在一定的溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的熱量，單位為J/(m·s·K)或W/(m·K)。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院負(fù)號(hào)表示傳遞的熱量Q與溫度梯度具有相反的符號(hào)當(dāng)＜0時(shí)，Q＞0，熱量沿x軸正方向傳遞；＞0時(shí)，Q＜0，熱量沿x軸負(fù)方向傳遞。注意：傅立葉定律，它只適用于穩(wěn)定傳熱的條件，即二、熱傳導(dǎo)微觀機(jī)理氣體的傳熱是依靠分子的碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但固體材料中的質(zhì)點(diǎn)都處在一定位置上，并且只能在平衡位置附近作微小振動(dòng)，所以不能像氣體那樣依靠質(zhì)點(diǎn)間的直接碰撞來(lái)傳遞熱能。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院固體中的導(dǎo)熱主要是由晶格振動(dòng)的格波、自由電子的運(yùn)動(dòng)以及熱輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。注意：材料不同，導(dǎo)熱方式不同。如對(duì)于金屬材料，由于有大量的自由電子存在，所以主要靠自有電子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，因此金屬一般都具有較大的熱導(dǎo)率(晶格振動(dòng)對(duì)金屬導(dǎo)熱也有貢獻(xiàn)，只是相比起來(lái)是很次要的)。但對(duì)于非金屬材料，如一般離子晶體，晶格中自由電子極少，所以晶格振動(dòng)是它們的主要導(dǎo)熱機(jī)制。1、聲子熱導(dǎo)晶格振動(dòng)格波能量子—聲子4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院晶格熱振動(dòng)看成是“聲子氣體”，平均聲子數(shù)為：聲子數(shù)密度大聲子數(shù)密度小擴(kuò)散低溫區(qū)高溫區(qū)晶格熱傳導(dǎo)可以看成是“聲子”擴(kuò)散和碰撞運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。同樣可以利用氣體分子的熱傳導(dǎo)公式來(lái)作為晶格熱傳導(dǎo)的公式。CV單位體積熱容，l---聲子自由程，聲子平均速度(常取固體中聲速)。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院由于固體熱容和平均自由程都是聲子振動(dòng)頻率的函數(shù)，所以：注意：因?yàn)榫Ц駸嵴駝?dòng)非簡(jiǎn)諧效應(yīng)的存在，格波間有一定的耦合作用，聲子間會(huì)產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致聲子的平均自由程減小。格波間相互作用愈大，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，因此這種聲子間碰撞引起的散射是晶體中熱阻的主要來(lái)源。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2、光子熱導(dǎo)固體具有能量，會(huì)輻射出頻率較高的電磁波，這類(lèi)電磁波頻譜較寬，其中波長(zhǎng)在0.4—40μm間的可見(jiàn)光與部分紅外光稱(chēng)為熱射線(xiàn)。熱射線(xiàn)的傳遞過(guò)程也稱(chēng)為熱輻射。由于它們都在光頻范圍內(nèi)，所以熱射線(xiàn)的導(dǎo)熱過(guò)程可以看作是光子導(dǎo)熱。理論證明，溫度T時(shí)單位體積絕對(duì)黑體的輻射能ET為式中：為斯帝芬-波爾茨曼常數(shù)；折射率；光速4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院由于輻射傳熱中容積熱容Cv,m相當(dāng)于提高輻射溫度所需的能量又輻射線(xiàn)在介質(zhì)中速度可以發(fā)現(xiàn)λ描述介質(zhì)中這種輻射能的傳遞能力的參量，取決于輻射能傳播過(guò)程中光子的平均自由程l。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院對(duì)于輻射線(xiàn)是透明的介質(zhì)，l較大，光子導(dǎo)熱率較大；對(duì)于輻射線(xiàn)是不透明的介質(zhì)，l較小，光子導(dǎo)熱較??；對(duì)于輻射線(xiàn)是完全不透明的介質(zhì)，l=0，光子導(dǎo)熱可以忽略。3、自由電子引起的電子熱導(dǎo)大量的自有電子可以看做自有電子氣，與氣體分子通過(guò)碰撞導(dǎo)熱的過(guò)程類(lèi)似，其電子熱導(dǎo)率具有如下形式：注意：對(duì)于純金屬主要考慮電子導(dǎo)熱，對(duì)于合金還要考慮聲子導(dǎo)熱。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院三、影響熱傳導(dǎo)性能的因素1、溫度的影響1)高溫時(shí)，T>>D基本與溫度無(wú)關(guān)，Cv和與溫度密切相關(guān)2)低溫時(shí)，T<<D4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院因?yàn)樵趯?shí)際晶體中存在雜質(zhì)和缺陷，聲子的平均自由程不會(huì)非常大。對(duì)于完整的晶體，(D為晶體線(xiàn)度)。低溫時(shí)：圖8-15單晶Al2O3溫度－熱導(dǎo)率曲線(xiàn)4.3材料的熱傳導(dǎo)由于拐點(diǎn)溫度在40K左右，所以對(duì)于晶體材料，在常用溫度范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率隨溫度的上升而下降。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2、晶體結(jié)構(gòu)的影響①聲子傳導(dǎo)與晶格振動(dòng)的非諧振有關(guān)，晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動(dòng)的非諧振性程度越大，格波受到的散射越大，因此聲子平均自由程

l

越小，熱傳導(dǎo)率越低。②對(duì)于非等軸晶系的晶體，熱導(dǎo)率也存在著各向異性的性質(zhì)。③同一種材料，多晶體的熱導(dǎo)率總是小于單晶體。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院④非晶態(tài)材料的熱導(dǎo)率較小，隨著溫度升高，熱導(dǎo)率稍有增大。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院3、化學(xué)組成的影響①組成元素相對(duì)原子質(zhì)量愈小，楊氏模量愈大，德拜溫度愈高，則熱導(dǎo)率λ愈大；

②固溶體的形成同樣降低熱導(dǎo)率；

4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4、復(fù)相材料的熱導(dǎo)率復(fù)相材料中包括連續(xù)相和分散相，其熱導(dǎo)率表示如下：式中：分別為連續(xù)相熱導(dǎo)率、分散相熱導(dǎo)率和分散相體積分?jǐn)?shù)。在陶瓷材料中，一般玻璃相是連續(xù)相，因此，普通陶瓷和粘土制品的熱導(dǎo)率更接近其中玻璃相的熱導(dǎo)率。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院5、缺陷的影響①晶體中存在的各種缺陷和雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致聲子的散射，降低聲子的平均自由程，使熱導(dǎo)率變小；

②溫度不是太高，氣孔率小，氣孔尺寸小，且均勻分布，氣孔可看做分散相，則

③對(duì)于粉末和纖維材料，由于氣孔形成了連續(xù)相，其熱導(dǎo)率比燒結(jié)狀態(tài)時(shí)又低得多，因此具有熱絕緣性能。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院四、熱導(dǎo)率測(cè)定及應(yīng)用1、熱導(dǎo)率測(cè)定熱導(dǎo)率測(cè)量是在導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀上進(jìn)行的，如下圖所示導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀示意圖4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，在t時(shí)間內(nèi)沿圓柱體各截面流過(guò)的熱量Q為在t時(shí)間內(nèi)，流出的水帶走的熱量Q為注意：為了保持穩(wěn)態(tài)條件，防止側(cè)面散發(fā)熱；高溫端發(fā)熱量要穩(wěn)定；保持冷卻水有穩(wěn)定的流速。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2、熱導(dǎo)率的應(yīng)用①隔熱耐火材料生產(chǎn)：氣孔率高的多孔輕質(zhì)耐火材料；②在電子信息材料的研究中，尋找高導(dǎo)熱低膨脹系數(shù)的材料也是一個(gè)重要課題。4.3材料的熱傳導(dǎo)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院4.4材料的熱穩(wěn)定性

第四節(jié)材料的熱穩(wěn)定性（thermalstability）

熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力。熱沖擊損壞類(lèi)型：1．一種是在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開(kāi)裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。抵抗這類(lèi)破壞的性能稱(chēng)為抗熱沖擊損傷性。2．一種是材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂，抵抗這類(lèi)破壞的性能稱(chēng)為抗熱沖擊斷裂性。一、熱穩(wěn)定性的表示方法一般采用比較直觀的測(cè)定方法。二、熱應(yīng)力

式中：σ＝內(nèi)應(yīng)力（thermalstress），E＝彈性模量（elasticmodulus），α＝熱膨脹系數(shù)（heatexpansioncoefficient），＝彈性應(yīng)變（elasticstrain）。這種由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力。若上述情況是發(fā)生在冷卻過(guò)程中，即T0>T，則材料中內(nèi)應(yīng)力為張應(yīng)力（正值），這種應(yīng)力才會(huì)桿件斷裂。

例如，一塊玻璃平板從373K的沸水中掉入273K的冰水溶中，假設(shè)表面層在瞬間降到273K，則表面層趨于的收縮，然而，此時(shí)內(nèi)層還保留在373K，并無(wú)收縮，這樣，在表面層就產(chǎn)生了一個(gè)張應(yīng)力。而內(nèi)層有一相應(yīng)的壓應(yīng)力，其后由于內(nèi)層溫度不斷下降，材料中熱應(yīng)力逐漸減小，見(jiàn)圖3.14。

當(dāng)平板表面以恒定速率冷卻時(shí)，溫度分布呈拋物線(xiàn)，表面Ts比平均溫度Ta低，表面產(chǎn)生張應(yīng)力σ+，中心溫度Tc比Ta高，所以中心是壓應(yīng)力σ－。假如樣品處于加熱過(guò)程，則情況正好相反。

實(shí)際無(wú)機(jī)材料受三向熱應(yīng)力，三個(gè)方向都會(huì)有漲縮，而且互相影響，下面分析一陶瓷薄板的熱應(yīng)力狀態(tài)，見(jiàn)圖3.15。

在t=0的瞬間，，如果此時(shí)達(dá)到材料的極限抗拉強(qiáng)度σf，則前后二表面將開(kāi)裂破壞，代入上式：根據(jù)廣義虎克定律：

解得：式中：S＝形狀因子（shapefactor），μ＝泊松比。三、抗熱沖擊斷裂性能

1．第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R

由上式可知，值愈大，說(shuō)明材料能承受的溫度變化愈大，即熱穩(wěn)定性愈好，所以定義來(lái)表征材料熱穩(wěn)定性的因子，即第一熱應(yīng)力因子。對(duì)于其它非平面薄板狀材料制品

2．第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R′

在無(wú)機(jī)材料的實(shí)際應(yīng)用中，不會(huì)象理想驟冷那樣，瞬時(shí)產(chǎn)生最大應(yīng)力，而是由于散熱等因素，使滯后發(fā)生，且數(shù)值也折減，設(shè)折減后實(shí)測(cè)應(yīng)力為，令，其中＝無(wú)因次表面應(yīng)力，見(jiàn)圖3.16。另外，令，式中＝畢奧模數(shù)，且無(wú)單位，h＝定義為如果材料表面溫度比周?chē)h(huán)境溫度高1K，在單位表面積上，單位時(shí)間帶走的熱量，—導(dǎo)熱系數(shù)，—材料的半厚（cm）。

對(duì)于通常在對(duì)流及輻射傳熱條件下觀察到的比較低的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，S.S.Manson發(fā)現(xiàn)[]max=0.31。即，另,令——第二熱應(yīng)力因子（J/(cm·s)），所以見(jiàn)圖3.17。

3．冷卻速率引起材料中的溫度梯度及熱應(yīng)力實(shí)際上，材料所允許的最大冷卻（或加熱）率。見(jiàn)圖3.18，對(duì)