1、42 材料的热性能材料的热性能Thermal Performance of Materials Thermal-physical properties thermal conductivity heat capacity thermal expension heat resistance Thermal-chemical properties thermal Stability flame retardancy42 材料的热性能材料的热性能(thermal performance) 热导率热导率 热物理性能：热物理性能： 比热容比热容 热膨胀热膨胀 耐热性耐热性 热化学性能：热化学性能： 热稳
2、定性热稳定性 燃烧特性燃烧特性421 材料的热学性质材料的热学性质(thermal property)1. 热传递热传递三种方式：热传导、热辐射、热对流热传导、热辐射、热对流热传导热传导基本的传递方式 A 自由电子自由电子（金属） B 晶格振动晶格振动，离子和共价晶体（陶瓷） C 分子传导分子传导（高分子、小分子气体、液体） 热流量 q (d T / d X)两平面稳态稳态热流量（与时间无关） q = A t(T1 - T2)/d 式中 A 为平板面积, 为热导率, t 热传导的时间非稳态非稳态： = /CP 式中为热扩散系数，m2.s-1； CP为比热容； 为密度2. 热导率热导率 (the
3、rmal conductivity)定义：单位温度梯度单位温度梯度下，单位时间单位时间内通过单位垂直单位垂直面积面积上的热量热量 = -q/ (d T / d X) J.s-1 .m-1.K-1 或或 W. m-1.K-1 金属金属 高 自由电子无机非金属无机非金属： 中 晶格热振动高分子高分子 很小，0.1-0.4之间银最高银最高 427 合金合金 40金刚石金刚石 30玻璃玻璃 1 合金、孔隙合金、孔隙结晶、温度结晶、温度表表4-2-1 某些材料的热导率和比热容某些材料的热导率和比热容材料材料热导热导率率W/（mk）比热容比热容J(kgk)材料材料热导热导率率W/（mk）比热容比热容J(k
4、gk)铝铝247900硅硅150 铜铜398389氧化铝氧化铝 30.1775金金315130氧化镁氧化镁 37.7940铁铁 80.4448尖晶石尖晶石 15.0790镍镍 90443钠钙玻璃钠钙玻璃 1.7840银银428235聚乙烯聚乙烯 0.382100钨钨178142聚丙烯聚丙烯 0.1218801025钢钢 51.9486聚苯乙烯聚苯乙烯 0.131360316不锈钢不锈钢 16.3502聚四氟乙烯聚四氟乙烯 0.251050黄铜黄铜120375酚醛树脂（电木）酚醛树脂（电木） 0.151650 尼龙尼龙-66 0.2416704-28 有一块面积为有一块面积为0.25m2、厚度为
5、、厚度为10mm的钢板热导率为的钢板热导率为 51.9 W/(m*K)，两表面的温度分别为，两表面的温度分别为300和和100， 试计算该钢板每小时损失的热量？试计算该钢板每小时损失的热量？ Q=A（T1-T2）/d=51.9*0.25*（300-100）/0.01 = 259.5 KW Q=259.5*3600= 934.2 MJ3、比热容（、比热容（CP）或）或CV Specific heat 材料对热量的吸收能力材料对热量的吸收能力热容（热容（heat capacity)，将一摩尔材料的温度升高一度所需的能量（没有相变或化学反应）。单位为 J/molK。体积恒定体积恒定，所吸收的热量等于
6、内能内能的增量等容热容等容热容 内能对温度的曲线上的斜率恒压恒压，所吸收的热量等于焓焓的增量：等压热容：等压热容：焓对温度的曲线上的斜率固体多用CP ，Jmol-1K-1。CpCv。绝对零度时 CP= CV=0 RT 相近 QEV )(VVdTdECQHP)(PPdTdHC固体热容理论固体热容理论 原子的振动原子的振动- 晶格的振动晶格的振动 经典经典理论 谐振子 量子量子理论 随机振动 德拜模型德拜模型 晶体中原子的相互作用，弹性波的振动（声波） Cv3R fD(D/T) D :德拜温度德拜温度， 材料参数 （简单晶体）德拜比热函数德拜比热函数比热（容）比热（容） =热容/原子量， JKg-
7、1K-1 定义：1Kg质量的固体（或液体）升高（或降低）1C时，所增加（或减少）的（振动能量）热量 比热容与材料的组成和结构比热容与材料的组成和结构 金属金属 CP 1 KJKg-1K-1，热容小，容易加热、容易冷却 自由电子的贡献很小。无机非金属，无机非金属， 同上，同上，更符合德拜模型高分子高分子 CP 1.0 3.0 KJKg-1K-1， 热容大 不同的运动单元运动单元 原子、基团、链段原子、基团、链段 分子链柔顺性柔顺性 温度的升高是由于分子间内 摩擦引起 的，柔性链，运动单元小内摩擦小, T上 升慢，热容量大， 高弹态玻璃态高弹态玻璃态比热容比热容 与温度与温度T D , Cv3R
8、T D , Cv12R4(T/ D) 3 /5 比热容比热容 与相变与相变 DSC示差扫描量热仪 DTA差热分析Tg Cp发生突变一级相变一级相变 二级相变二级相变4-2-2 热膨胀性热膨胀性 （Thermal Expension)1、热膨胀热膨胀 材料的体积或长度随温度升高而增大体积或长度随温度升高而增大的现象 原因：原子或分子的热运动 晶体晶体：原子在晶格内平衡位置平衡位置附近振动， T ， 振幅振幅 ，原子平均间距，原子平均间距 非晶体非晶体：原子的振动和转变。 高分子沿主链振动； 链节、链段，转动； 自由体积运动的空间2、热膨胀类型热膨胀类型(coefficient of therma
9、l expansion) CTE 线膨胀 l =(1/ l )d l /dT 体膨胀 V =(1/ V )d V /dT影响因素影响因素 温度温度 T升高，增大 结构结构 键能大，减小 无机材料无机材料 小，10-510-6 金属金属 中，1310-5 高分子高分子 大，2.52510-5 取向 交联度 减小 晶格类型、结晶度 柔顺性 刚性 ， 柔性 ， 表表4-2-2 各种材料的线膨胀系数各种材料的线膨胀系数材料名称线膨胀系数105,K-1材料名称线膨胀系数105,K-1玻璃0.11.0聚苯乙烯7陶瓷0.45聚甲基丙烯酸甲酯89石英玻璃0.1尼龙10硬质玻璃0.3聚乙烯17光学玻璃0.8聚氯
10、乙烯19钢1.2纤维素的酯及醚类617黄铜1.9石墨0.79铝2.4金刚石0.12环氧树脂67氯化橡胶1213酚醛树脂（填充木粉）3氯丁橡胶20.0脲醛树脂2.53丁腈橡胶19.6聚酯树脂810丁基橡胶19.4木材（顺纤维方向）0.20.6丁苯橡胶21.6木材（横纤维方向）3.256.2聚乙烯醇712碳化天然橡胶8聚乙烯醇缩醛8224-2-3耐热性耐热性 （Heat Resistance)1、概念：、概念： 耐热性耐热性指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形永久变形的温度。 材料的使用上限温度 高分子材料高分子材料 常温及中温条件下使用，-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C
11、CCCClPH4-2-5燃烧特性燃烧特性 Flammability有机材料、有机聚合物（含含C、H元素元素） 1、高分子材料引燃和燃烧、高分子材料引燃和燃烧 ignition and burning燃烧燃烧：较高温度下与氧剧烈反应，并发出热和光。较高温度下与氧剧烈反应，并发出热和光。引燃过程引燃过程：外部热原分解固体材料的表面层；产 生可燃气化物，与空气混合致燃烧燃烧过程燃烧过程：材料不断热分解，始终在表面空气中燃烧，无残渣。条件：条件：温度、氧气（空气）温度、氧气（空气）放热反应放热反应2、材料的燃烧特性、材料的燃烧特性 燃烧速度燃烧速度 燃烧反应放热值燃烧反应放热值3、临界氧指数、临界氧指
12、数 Limiting Oxygen Index (LOI) 能够维持稳定燃烧的最小氧浓度 0.27的聚合物是有自熄性 self-extinguish(1) 仅由C、H、O元素组成，临界氧指数为0.160.18(2) 含卤族卤族元素（F、Cl、Br、I），临界氧指数大于0.40(3) 含磷、氮磷、氮等元素，临界氧指数高 表表4-16 聚合物的燃烧速度，聚合物的燃烧速度，mm/min聚合物聚合物燃烧速度燃烧速度聚合物聚合物燃烧速度燃烧速度聚乙烯聚乙烯7.530.5硝酸纤维素硝酸纤维素迅速燃烧迅速燃烧聚丙烯聚丙烯17.340.6醋酸纤维素醋酸纤维素12.730.3聚丁烯聚丁烯27.9氯化聚乙烯氯化聚
13、乙烯自熄自熄聚苯乙烯聚苯乙烯12.763.5PVC自熄自熄苯乙烯苯乙烯-丙烯腈共丙烯腈共聚物聚物10.240.6聚偏二氯乙烯聚偏二氯乙烯自熄自熄ABS25.450.2尼龙尼龙自熄自熄PMMA15.040.6脲醛树脂脲醛树脂自熄自熄PC自熄自熄聚四氟乙烯聚四氟乙烯不燃不燃聚砜聚砜自熄自熄 表表4-17 高分子材料的燃烧发热值，高分子材料的燃烧发热值，KJ/g名称名称燃烧发热值燃烧发热值名称名称燃烧发热值燃烧发热值软质软质PVC46.6PVC1323硬质硬质PVC45.8赛璐咯赛璐咯17.3聚丙烯聚丙烯43.9酚醛树脂酚醛树脂13.4聚苯乙烯聚苯乙烯40.1聚四氟乙烯聚四氟乙烯4.2ABS35.2
14、玻璃纤维增强塑玻璃纤维增强塑料料18.8聚酰胺聚酰胺30.8氯丁橡胶氯丁橡胶23.432.6聚碳酸酯聚碳酸酯30.5煤煤23.0PMMA26.2木材木材14.6 表表4-18 几种聚合物的氧指数几种聚合物的氧指数100222mNnOnO聚合物聚合物氧指数氧指数聚合物聚合物氧指数氧指数聚乙烯聚乙烯17.417.5聚乙烯醇聚乙烯醇22.5聚丙烯聚丙烯17.4聚苯乙烯聚苯乙烯18.1氯化聚乙烯氯化聚乙烯21.1PMMA17.3PVC1549聚碳酸酯聚碳酸酯2622聚四氟乙烯聚四氟乙烯79.5环氧树脂环氧树脂19.3聚酰胺聚酰胺26.7氯丁橡胶氯丁橡胶26.3软质软质PVC2340硅橡胶硅橡胶26394、高分子材料的阻燃、高分子材料的阻燃 flame retardancy 结构和组成结构和组成 提高热稳定性提高热稳定性 引入卤族、磷、氮引入卤族、磷、氮等元素 阻燃剂和无机填料阻燃剂和无机填料 吸收热量吸收热量 降低温度降低温度 隔离氧隔离氧
