材料性能學(xué)課件：材料的熱學(xué)性能-2-熱傳導(dǎo)-熱穩(wěn)定性-

材料性能學(xué)212.1晶體的

點陣（晶格）振動LatticeVibration

12.2熱容HeatCapacity12.3熱膨脹ThermalExpansion

12.4熱傳導(dǎo)

HeatConduction

12.5熱穩(wěn)定性

ThermalStability

材料的熱學(xué)性能基本概念物理本質(zhì)影響因素測試方法應(yīng)用3掌握要點：1.固體材料的熱傳導(dǎo)機理包括

、

、

等.2.熱穩(wěn)定性是指

，包括

和

。

3.熱應(yīng)力斷裂是指

，采用

理論；

熱應(yīng)力損傷是指

，采用

理論；412.4熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)：熱從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式。12.4.1基本概念空氣、羊毛/羽毛/毛皮/棉花/石棉/軟木等松軟物質(zhì)。瓷/木頭/竹子/皮革，玻璃、混凝土等。金屬：良導(dǎo)體。銀>銅>鋁。導(dǎo)熱能力heatconduction

5傅里葉(Fourier)定律：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過材料單位垂直面積的熱量。λ單位:J／(m·s·K)，W/(m·K)，W/m·℃。熱（能）流密度q：熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))λ:thermalconductivity

612.4.2導(dǎo)熱的微觀機理氣體：分子碰撞傳熱；7晶格振動（格波）聲子熱導(dǎo)：phonon

聲頻支—較低溫度；光子熱導(dǎo):Photons

光頻支—高溫時。固體：自由電子freeelectron

12.4.2導(dǎo)熱的微觀機理89高溫處：質(zhì)點熱振動強烈晶格振動（格波）的熱傳導(dǎo)機理:帶動，振動加劇，能量增加；熱量，從高溫向低溫傳遞→→熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。低溫處：質(zhì)點熱振動較弱；熱傳導(dǎo)微觀機理10新聲子的動量方向和原兩個聲子的方向一致，熱阻小。（1）聲子的碰撞過程碰撞后，方向反轉(zhuǎn)，熱阻較大。1.聲子熱傳導(dǎo)熱阻??聲子擴散過程中的各種散射。11（2）點缺陷的散射（4）晶界散射（3）位錯的散射熱阻：聲子擴散過程中的各種散射。12固體中分子、原子和電子的振動/轉(zhuǎn)動，輻射出頻率較高的電磁波（光子）。波長0.4-40μm的可見光和近紅外光------熱輻射。2.光子熱導(dǎo)(高溫時)132.光子熱導(dǎo)(高溫時)發(fā)生光的散射/衍射/吸收/反射/折射。光子在介質(zhì)中的傳播過程------光子導(dǎo)熱過程。輻射與吸收：

高溫：輻射>吸收

低溫：輻射<吸收14透明介質(zhì)，熱阻小。單晶、玻璃，在500---1000℃輻射傳熱明顯；光子熱導(dǎo)的熱阻：材料的透明度對輻射線不透明的介質(zhì)，熱阻大。陶瓷、耐火材料：在1500℃輻射明顯；完全不透明，

輻射傳熱可忽略。15金屬：大量自由電子。3.電子熱導(dǎo)純金屬：主要熱傳導(dǎo)機理。合金：雜質(zhì)原子散射。熱傳導(dǎo)機理：電子+聲子。

λe/λL≈30

16純金屬：電子熱導(dǎo)。（導(dǎo)電）合金/半導(dǎo)體/半金屬：電子+聲子小結(jié)：各類材料的熱傳導(dǎo)機理絕緣體：聲子高分子材料：分子間的聲子熱傳導(dǎo)。無機非金屬材料：主要--聲子熱導(dǎo)。熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都很低。171.溫度12.4.3影響熱導(dǎo)率的因素晶體材料：一般地，在常用溫度范圍內(nèi)，

熱導(dǎo)率隨溫度的上升而下降，熱阻大。溫度很高：光子輻射，λ增大。熱導(dǎo)率與溫度T成反比下降；溫度很低：(熱容)熱導(dǎo)率λ∝T3；202.結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動偏離非線性越大，熱導(dǎo)率越低。晶向不同，熱傳導(dǎo)系數(shù)不同。石墨、BN為層狀結(jié)構(gòu)，層片內(nèi)比層片間的大4倍，在空間技術(shù)中用于屏蔽材料。21晶界多、缺陷多，對聲子散射大。2結(jié)構(gòu)的影響同一種物質(zhì)：

多晶體的熱導(dǎo)率總比單晶小。多晶單晶多晶體熱導(dǎo)率比單晶小。23無機非金屬材料晶體非晶體24非晶熱導(dǎo)------聲子熱導(dǎo)。非晶：short-rangeorder；聲子的平均自由程：幾個晶胞間距；T↑

，高頻率的聲波，沖破短程晶胞量級，平均自由程升高，聲子傳播速度升高，熱導(dǎo)提高。

高溫：熱容3R。25非晶體的熱導(dǎo)率：

非晶體的聲子熱導(dǎo)率在各溫度下都比晶體小；

兩者在高溫下比較接近；

重大區(qū)別：晶體有一峰值。26

線性簡諧振動→幾乎無熱阻;

非線性振動→熱阻大;

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，德拜溫度越大；（輕元素、結(jié)合能大）熱導(dǎo)率越大3.成分的影響27

單質(zhì)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù);

金剛石的熱導(dǎo)率比任何其他材料都大，常用于固體器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，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(dǎo)系數(shù)，如:BeO,SiC.28

雜質(zhì)的影響顯著?；瘜W(xué)組成復(fù)雜的固體熱導(dǎo)率小。29(4)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率兩相：連續(xù)相（基體）(λc)和分散相(λd)：Vd為分散相的體積分數(shù)。陶瓷：晶粒—分散相，晶界(玻璃相)—連續(xù)相，可由上式計算熱導(dǎo)率。30氣孔熱導(dǎo)率≈0，氣孔率大—熱導(dǎo)率小。P為氣孔的體積分數(shù)。(5)氣孔

高溫、大氣孔：氣孔內(nèi)氣體流動→λ↑.3112.4.4材料熱傳導(dǎo)性能的應(yīng)用高導(dǎo)熱材料：器皿，器件，溫度傳感器。絕熱保溫材料：建筑墻體：多層、顆粒復(fù)合、泡沫、多孔、中空結(jié)構(gòu)。

323312.5熱穩(wěn)定性

ThermalStability

3435熱應(yīng)力：高溫下，未改變外力作用狀態(tài)時，僅因熱沖擊而在材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。多相復(fù)合材料：各相膨脹或收縮的相互牽制；各相同性材料：溫度梯度。

12.5熱穩(wěn)定性

ThermalStability

熱穩(wěn)定性（thermalstability），--抗熱震性，熱抗震性；thermalshockresistance

材料承受溫度瞬變而不破壞的能力。36熱穩(wěn)定性有2種類型：熱應(yīng)力斷裂thermalstressfracture

（熱震斷裂）

thermalshockfracture

熱沖擊+瞬時斷裂；熱（應(yīng)力）損傷：thermalstressdamage熱沖擊+循環(huán)；機械外力+熱應(yīng)力√+溫度：力學(xué)性能+熱學(xué)性能；熱彈性理論：斷裂力學(xué)理論；371.材料的熱應(yīng)力斷裂(熱震斷裂)急劇受熱和冷卻：第一抗熱應(yīng)力斷裂因子R1（R)：α：熱膨脹系數(shù)ν：泊松比E：彈性模量σf：斷裂強度R1越大，材料能承受的溫度變化越大，熱穩(wěn)定性越好?！鱐c：熱震斷裂的臨界溫度。thermalshockfracturethermalstressfracture38慢速受熱和冷卻：第二抗熱應(yīng)力斷裂因子R2（R′)

：λ：熱導(dǎo)率1.材料的熱應(yīng)力斷裂(熱震斷裂)材料的熱導(dǎo)率λ越大，傳熱越快，散熱越好，熱穩(wěn)定性越高。A：常數(shù)（構(gòu)件形狀/熱處理條件）thermalshockfracturethermalstressfracture39恒定速率加熱或冷卻：第三抗熱應(yīng)力斷裂因子R3（R〞)

ρ:密度(kg/m3)，Cp：定壓熱容。R3越大，則允許的最大冷卻速率越大，熱穩(wěn)定性就越好。1.材料的熱應(yīng)力斷裂(熱震斷裂)thermalshockfracturethermalstressfracture402.材料的熱應(yīng)力損傷(熱損傷）斷裂力學(xué)觀點:彈性應(yīng)變能--斷裂表面能；當彈性應(yīng)變能小或斷裂表面能γ大時，裂紋不易擴展，熱穩(wěn)定性好．抗熱損傷性：正比于斷裂表面能，反比于彈性應(yīng)變能釋放率。微裂紋、微孔材料，瞬時不斷裂。

考慮問題的出發(fā)點:阻止微裂紋的擴展。thermalstressdamage412.材料的熱應(yīng)力損傷(熱損傷）第四抗熱應(yīng)力損傷因子R4

彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)。

第五抗熱應(yīng)力損傷因子R5彈性應(yīng)變能+斷裂表面能。thermalstressdamage423.抗熱震斷裂，抗熱損傷

對材料性能的要求相反；抗熱應(yīng)力損傷：高E、γ、KIc；低σf；阻止裂紋擴展，疏松材料抗熱應(yīng)力斷裂：高強度σf、λ低E阻止裂紋萌生/致密材料耐火磚(氣孔)抗熱沖擊損傷性↑↓強度，↓熱導(dǎo)率，↓

R1,R2。434.抗熱震性能的表述或測試最大溫差：試樣表面開裂。材料升至不同的溫度后，淬冷（風冷或水冷）強度保持率：規(guī)定次數(shù)后：淬冷次數(shù)：反復(fù)測試直至材料產(chǎn)生宏觀裂紋