FH12材料的热学性能2.ppt

石家庄铁道学院 材料科学教研室 材料性能学 付华 石家庄铁道大学 第二部分 材料的物理性能 第12章 材料的热学性能 12.1晶体的点阵振动 12.2 热容 12.3 热膨胀 12.4 热传导 12.5 热稳定性 第13章 材料的磁学性能 第14章 材料的电学性能 第15章 材料的光学性能 12.4 热传导 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。 热导率(导热系数)λ: 晶格振动 （格波） 高温处： 质点热振动 强烈 对辐射线透明的介质，热阻小。 单晶、玻璃，在773---1273K辐射传热很明显； 金属：大量自由电子。 小结：各类材料的热传导机理 (4)复合材料的热导率 两相：连续相（基体）(λc)和分散相(λd)： (5) 气孔 气孔热导率≈0， 气孔率大—热导率小。 12.4.4 材料热传导性能的应用 高导热材料： 器皿，器件 ，温度传感器 。 绝热保温材料： 建筑墙体 ： 多层、颗粒复合、 泡沫、多孔、 中空结构。 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。 1. 材料的热应力断裂(热震断裂) 急剧受热和冷却： 第一抗热应力断裂因子R1（R)： 1. 材料的热应力断裂(热震断裂) 慢速受热和冷却： 第二抗热应力断裂因子R2 （R′) ： 1. 材料的热应力断裂(热震断裂) 恒定速率加热或冷却： 第三抗热应力断裂因子R3 （R〞) 2. 材料的热应力损伤(热损伤） 断裂力学观点:应变能-断裂能； 当弹性应变能小或断裂表面能γ大时， 裂纹不易扩展，热稳定性好． 抗热损伤性：正比于断裂表面能， 反比于弹性应变能释放率。 2. 材料的热应力损伤(热损伤） 3. 抗热震断裂，抗热损伤 对材料性能的要求相反； 抗热损伤： 高E/γ/KIc； 低σf； 阻止裂纹扩展， 疏松材料 4. 实际材料的热稳定性 高分子材料：热稳定性较差。 一般≤200℃；新开发在300-400℃； 5.影响抗热震的主要因素 材料特性：热膨胀系数α、导热系数λ、 弹性模量E、材料固有强度σf 、断裂韧性KIc等。 α越小，温度应力小，抗热震性越好； λ大，温差越小，热应力越小，抗热震性好； σf 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。 5.影响抗热震的主要因素 组织结构和试样几何形状。 6.抗热震性能的表述或测试 最大温差：试样表面 开裂。 ρ:密度(kg/m3)，Cp：定压热容。 R3越大，则允许的最大冷却速率越大， 热稳定性就越好。 瞬时不断裂：微孔材料、非均质金属陶瓷; 陶瓷：微裂纹+气孔； 微裂纹被微孔/晶界等钉扎。 考虑问题的出发点:阻止微裂纹的扩展。 第四抗热应力损伤因子R4 弹性应变能释放率的倒数。 第五抗热应力损伤因子R5 弹性应变能+断裂表面能。 抗热震断裂： 高强度σf/ λ 低E 阻止裂纹萌生/致密材料 耐火砖 (气孔) 抗热冲击损伤性↑ ↓强度， ↓热导率， ↓ R1,R2。 金属材料：热稳定性较好。 一般强度和热导率较大，熔点高。 无机非金属材料： 一般强度和弹性模量都大，热导率中等，易产生热应力断裂； 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． 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。 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、 热传导、热稳定性、强度 等。 12.4.1 基本概念 空气、羊毛/羽毛/毛皮/棉花/石棉/软木等松软物质。 瓷/木头/竹子/皮革，玻璃、混凝土等。 金属：良导体。银铜铝。 导热能力 傅里叶(Fourier)定律： 单位梯度温度下，单位时间内通过材料单位垂直面积的热量。 λ单位: J／(m·s·K)，W/ (m·K)，W/m·℃。 热（能）流密度q ： 12.4.2 微观机理 气体： 声子热导： 声频支—较低温度； 光子热导： 光频支—高温时。 固体： 分子碰撞传热； 自由电子 晶格振动（格波）的热传导机理: 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； 热量，从高温向低温传递 →→热传导现象。 低温处： 质点热振动较弱； 热传导微观机理 新声子的动量方向和原两个声子的方向一致，热阻小。 （1） 声子的碰撞过程 碰撞后，方向反转，热阻较大。 1