第8章材料的热学性能.ppt

膨胀系数不是一个定值，是随温度变化而变化的，应用时要注意温度范围(一般指20-1000℃） 膨胀系数的精确表达式为： ?=(1/L)·(?L/ ? t) ?=(1/V) ·(? V/ ? t) 单质具有较大的导热系数 金刚石的热传导系数比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能输出大功率。 ? 较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具有较高的热传导系数，如: BeO,SiC 10 30 100 300 原子量 U C Si Be B Mg Al Zn Ni Th 碳化物 氧化物 Ca λ Ti 晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多，对声子散射大。 A 晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越低。 B 晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。 C 多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。 (3) 结构的影响 非晶体 晶体与非晶体 0 T(K) ? 400－600K 600－900K 0 T(K) ? · · 可以把玻璃看作直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的多晶体。 （4）非晶体的热导率 由于非晶体材料特有的无序结构，声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级，因而组分对其影响小。 表明： ? 非晶体的声子导热系数 在所有温度下都比晶体小； ? 两者在高温下比较接近； ? 两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。 一般情况下，介于两者曲线之间，可能出现三种情况： ? 当材料中所含有晶相比非晶相多时，在一般温度以上，热导率随温度上升而有所下降。在高温下热导率基本上不随温度变化； ? 当材料中所含的非晶相比晶相多时，热导率随温度升高而增大； ? 当材料中所含的非晶相比晶相多时，热导率可以在一个相当的范围内基本保持常数。 （5）晶相和非晶相同时存在 ? 晶体是置换型固溶体，非计量化合物时，热传导系数降低。 0 20 40 60 80 100 MgO 体积分数? NiO 热传导系数(卡/秒厘米0C 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 化学组成复杂的固体具有小的热传导系数 如MgO,Al2O3和MgAl2O4结构一样，而MgAl2O4的热传导系数低，2Al2O33SiO2莫来石比尖晶石更小. §8.4 无机材料的热稳定性 热稳定性（抗热振性）： 材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。 热冲击破坏的类型： 1. 抗热冲击断裂性------材料发生瞬时断裂； 2. 抗热冲击损伤性------在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。 在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞后现象------ 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。 例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。 3 . 试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。 热应力 0 400 800 1200 温度（0C） 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 膨胀（%） 由于存在显微裂纹而引起的多晶的热膨胀滞后现象 1. 热应力的产生 （1）热膨胀或收缩引起的热应力 当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力------（显微应力）。 有 ?x = ?z = ?T ? E / （1 － ? ) 在t=0的瞬间， ?x = ?z = ?max ，如果正好达到材料的极限抗拉强度?f ，则前后两表面开裂破坏， 得 ?Tmax= ?f (1－ ?)/ ? E 对于其他平面薄板状的材料： ?Tmax=S/ ?f (1－ ?)/ ? E S---形状因子，?Tmax---能承受的最大温差 式中的其他参数都是