1、材料性能学材料性能学付华付华石家庄铁道大学石家庄铁道大学1l第12章 材料的热学性能l12.1晶体的点阵振动晶体的点阵振动l12.2 热容l12.3 热膨胀l12.4 热传导l12.5 热稳定性l第13章 材料的磁学性能l第14章 材料的电学性能l第15章 材料的光学性能第二部分第二部分 材料的物理性能材料的物理性能212.4 热传导热传导l热传导：热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式。12.4.1 基本概念基本概念l空气、羊毛/羽毛/毛皮/棉花/石棉/软木等松软物质。l瓷/木头/竹子/皮革，玻璃、混凝土等。l金属：良导体。银铜铝。导热能力3傅里叶(Fourier)定律：l
2、单位梯度温度下，单位时间单位梯度温度下，单位时间内通过材料单位垂直面积的内通过材料单位垂直面积的热量。热量。l单位单位:J(msK)，W/(mK)，W/m。l热（能）流密度q：热导率热导率(导热系数导热系数):4l晶格振动 （格波）12.4.2 微观机理微观机理l气体：声子声子热导：声频支较低温度；光子光子热导：光频支高温时。固体：分子碰撞传热；自由电子自由电子5高温处：质点热振动质点热振动强烈l晶格振动（格波格波）的热传导机理的热传导机理:l质点间相互作用，振动较弱的质点在振动较强的质点影响下，振动加剧，能量增加；l热量，从高温向低温传递 热传导现象。低温处：质点热振动质点热振动较弱；热传导
3、微观机理热传导微观机理6新声子的动量新声子的动量方向和原两个声方向和原两个声子的子的方向一致方向一致，热阻小热阻小。（1）声子的碰撞过程声子的碰撞过程碰撞后，碰撞后，方向反转方向反转，热阻较大热阻较大。1.声子热传导声子热传导热阻：热阻：声子扩散过程中的各种散射。声子扩散过程中的各种散射。7（2）点缺陷的散射点缺陷的散射（4）晶界散射晶界散射（3）位错的散射位错的散射热阻：热阻：声子扩散过程中的各种散射。声子扩散过程中的各种散射。8固体中分子、原子和电子的振动固体中分子、原子和电子的振动/转动，转动，辐射出频率较高的辐射出频率较高的电磁波（光子）。电磁波（光子）。波长0.4-40m的可见光可见
4、光和近红外光近红外光,具有较强的热效应，称为热射线热射线，其传递过程-热辐射。2.光子热导光子热导(高温时高温时)发生光的散射发生光的散射/衍射衍射/吸收吸收/反射反射/折射。折射。光子在介质中的传播过程光子在介质中的传播过程-光子导热光子导热过程。过程。辐射与吸收：辐射与吸收：高温：高温：辐射辐射吸收吸收 低温：低温：辐射辐射吸收吸收9l对辐射线透明的介质，热阻小。对辐射线透明的介质，热阻小。l单晶、玻璃单晶、玻璃，在，在773-1273K辐射传热很明显；辐射传热很明显；光子热导的热阻：材料的光学性质光子热导的热阻：材料的光学性质l对辐射线不透明的介质，热阻大。对辐射线不透明的介质，热阻大。
5、l大多数大多数陶瓷陶瓷，一些耐火材料在，一些耐火材料在1773K高温下高温下 辐射明显；辐射明显；l完全不透明完全不透明的介质，的介质，辐射传热可以忽略。辐射传热可以忽略。10l金属：大量自由电子。金属：大量自由电子。3.电子热导电子热导l纯金属：纯金属：主要热传导机理。l合金：l杂质原子散射。l热传导机理：电子+声子。e/L30 11l纯金属：纯金属：电子热导电子热导。（导电）l合金/半导体/半金属：电子电子+声子声子小结：各类材料的热传导机理小结：各类材料的热传导机理l绝缘体：声子声子高分子材料：分子间的声子热传导声子热传导。无机非金属材料：主要为声子热导声子热导。l热导率和电导率都很低，
6、通常用作绝热材料。121.温度温度12.4.3 影响热导率的因素影响热导率的因素l晶体材料：一般地，在常用温度范围内，热导率随温度的上升而下降。温度很高：光子辐射，增大。热导率与温度T成反比下降；l温度很低：(热容)热导率lT3；1314152.结构的影响结构的影响Q晶体晶体结构结构越越复杂复杂，晶格振动偏离非线性越大，晶格振动偏离非线性越大，热导率热导率越低越低。Q晶向晶向不同，热传导系数不同。不同，热传导系数不同。l如：石墨、如：石墨、BN为层状结构，为层状结构，层内层内比层间的比层间的大大4倍，倍，在空间技术中用于屏蔽材料。在空间技术中用于屏蔽材料。16晶界多、缺陷多，晶界多、缺陷多，对
7、声子散射大。对声子散射大。2 结构的影响结构的影响Q同一种物质：同一种物质：多晶体多晶体的的热导率热导率总比单晶总比单晶小小。17Q多晶体热导率多晶体热导率比单晶小。比单晶小。18l无机非金属材料l非晶体非晶体;l含含气孔气孔的不密实材料的不密实材料;l气孔导热气孔导热占一定比例，占一定比例，随温度的上升，随温度的上升，热导率略有增大。热导率略有增大。19非晶体的热导率：非晶体的热导率：0 T(K)400600K 600900K 0 T(K)非晶体非晶体 晶体与非晶体晶体与非晶体l 非晶体非晶体的声子的声子热导率热导率在各温度下都在各温度下都比晶体小比晶体小；l 两者在两者在高温高温下比较下比
8、较接近接近；l 重大区别：重大区别：晶体有一峰值晶体有一峰值。20 线性简谐振动线性简谐振动几乎无热阻几乎无热阻;非线性振动非线性振动热阻大热阻大;晶格偏离谐振程度越大，热阻越大。晶格偏离谐振程度越大，热阻越大。物质组分物质组分原子量之差原子量之差越小，越小，质点的质点的原子量原子量越小，越小，密度密度越小，越小，德拜温度德拜温度越大；越大；（轻元素、结合能大）（轻元素、结合能大）热导率越大热导率越大3.3.成分的影响成分的影响21 单质单质具有较大的导热系数具有较大的导热系数;金刚石金刚石的热导率比任何其他的热导率比任何其他材料都大，常用于固体器件的材料都大，常用于固体器件的基片。基片。例如
9、；例如；GaAs激光器做在上面，激光器做在上面，能输出大功率。能输出大功率。较较低原子量低原子量的正离子的正离子 形成的氧化物和碳化物形成的氧化物和碳化物 具有较高的热传导系数，具有较高的热传导系数，如如:BeO,SiC.22 杂质杂质的影响显著。的影响显著。化学化学组成复杂组成复杂的固体的固体热导率小热导率小。23(4)复合材料的热导率 l两相：连续相（基体）连续相（基体）(c)和分散相分散相(d)：lVd为分散相的体积分数。l陶瓷:晶粒分散相，晶界(玻璃相)连续相，可由上式计算热导率。24l气孔热导率气孔热导率0，l气孔率大热导率小。P为气孔的体积分数。(5)气孔 u 高温、大气孔高温、大
10、气孔：气孔内气体流动.2512.4.4 材料热传导性能的应用材料热传导性能的应用l高导热材料：l器皿，器件器皿，器件 ，温度传感器，温度传感器 。l绝热保温材料：l建筑墙体建筑墙体 ：多层、颗粒复合、多层、颗粒复合、泡沫、多孔、泡沫、多孔、中空结构。中空结构。26l热应力：高温下，未改变外力作用状态时，仅因热冲击而在材料内部产生的内应力。l多相复合材料：l各相膨胀或收缩的相互牵制；l各相同性材料：l温度梯度。12.5 热稳定性热稳定性l热稳定性（thermal stability），又称为抗热震性，热抗震性；l材料承受温度 瞬变瞬变 而不破坏的能力。27l热稳定性有2种种类型：热震断裂热震断裂
11、 （热应力断裂）：热冲击热冲击+瞬时断裂；瞬时断裂；热（应力）损伤热（应力）损伤：热冲击热冲击+循环；循环；开裂、剥落、碎裂、变质。J机械外力机械外力+热应力热应力+温度温度：J力学性能力学性能+热学性能；热学性能；热弹性理论热弹性理论：断裂力学理论；断裂力学理论；281.材料的热应力断裂(热震断裂热震断裂)l急剧急剧受热和冷却：受热和冷却：l第一抗热应力断裂因子第一抗热应力断裂因子R1（R)：热膨胀热膨胀系数：泊松比 E：弹性模量 f：断裂强度 R1越大，材料能承受的温度变化越大，越大，材料能承受的温度变化越大，热稳定性越好热稳定性越好Tc：热震断裂的热震断裂的 临界温度临界温度。29l慢速
12、慢速受热和冷却：受热和冷却：l第二抗热应力断裂因子第二抗热应力断裂因子R2（R)：热导率热导率 1.材料的热应力断裂(热震断裂热震断裂)l材料的热导率材料的热导率越大，传热越快，越大，传热越快，散热越好，热稳定性越高。散热越好，热稳定性越高。A：常数（构件形状/热处理条件）30l恒定速率恒定速率加热或冷却：l第三抗热应力断裂因子R3（R):密度(kg/m3)，Cp：定压热容。lR3越大，则允许的最大冷却速率越大，热稳定性就越好。1.材料的热应力断裂(热震断裂热震断裂)312.材料的热应力损伤(热损伤）l断裂力学观点断裂力学观点:应变能应变能-断裂能断裂能；l当当弹性应变能小弹性应变能小或或断裂
13、表面能断裂表面能大大时，时，裂纹不易扩展，热稳定性好裂纹不易扩展，热稳定性好l抗热损伤性：正比于断裂表面能，抗热损伤性：正比于断裂表面能，l 反比于弹性应变能释放率。反比于弹性应变能释放率。瞬时不断裂瞬时不断裂：微孔材料、非均质金属陶瓷：微孔材料、非均质金属陶瓷;陶瓷：微裂纹陶瓷：微裂纹+气孔；气孔；微裂纹微裂纹被微孔被微孔/晶界等晶界等钉扎钉扎。F 考虑问题的出发点考虑问题的出发点:阻止微裂纹的扩展。阻止微裂纹的扩展。322.材料的热应力损伤(热损伤）l第四抗热应力损伤因子R4 l弹性应变能释放率的倒数。l第五抗热应力损伤因子R5 l弹性应变能+断裂表面能。33J3.抗热震断裂，抗热损伤 对
14、材料性能的要求相反；l抗热损伤：l高E/KIc；l低f；l阻止裂纹扩展，疏松材料l抗热震断裂：l高强度f/l低El阻止裂纹萌生/致密材料耐火砖耐火砖(气孔气孔)抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性强度，强度，热导率，热导率，R1,R2。344.实际材料的热稳定性 l高分子材料：热稳定性较差。l一般200；新开发在300-400；l金属材料：热稳定性较好。l一般强度和热导率较大，熔点高。l无机非金属材料：l一般强度和弹性模量都大，热导率中等，易产生热应力断裂；l熔点一般都很高，不易熔化或分解，允许的使用温度很宽，热稳定性较好355.影响抗热震的主要因素 材料特性：热膨胀系数、导热系数、弹性模量E、材料固
15、有强度f、断裂韧性KIc等。越小，温度应力小，抗热震性越好；大，温差越小，热应力越小，抗热震性好；f 越高，承受热应力越大，抗热震性好；E 越小通过弹性变形，释放热应力，抗热震性越好。36组织结构和试样几何形状。5.影响抗热震的主要因素 陶瓷：陶瓷：组织疏松+一定气孔率+适当的微裂纹提高断裂能，抗热冲击。l 形状相对简单、外形均匀构件：抗热震性好。综合考虑：热容、热膨胀、综合考虑：热容、热膨胀、热传导、热稳定性、强度热传导、热稳定性、强度 等。等。376.抗热震性能的表述或测试 最大温差：试样表面 开裂。l材料升至不同的温度后，淬冷（风冷或水冷）强度保持率：规定次数后，试样残余抗弯强度与常温抗弯强度的比值。淬冷次数：反复测试直至材料产生宏观裂纹的次数。38谢 谢！39
