无机材料的热性能PPT学习教案

会计学1无机材料的热性能无机材料的热性能n低膨胀率的材料：微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等；n一定的热膨胀系数：电真空分装材料；n极高的膨胀系数：热敏元件；n优异的隔热性能：工业炉衬，建筑材料、航天飞机隔热材料；n优异的导热性能：燃气轮机叶片、晶体管散热器等等。第1页/共133页),.,3 , 2 , 1 , 0()2/1(nhnEn式中第2页/共133页h第3页/共133页n热容量C：材料分子或原子的热运动能量Q随温度T的变化率, J/K。TTQC)(TQCT0lim,QT第一节第一节 无机材料的热容无机材料的热容第4页/共133页21m1TTQ12均Cm1TQ真C第5页/共133页VPCCVVVTETQC)()(PPPTHTQC)()(第6页/共133页压缩系数VdPdVVdTdV/02TVCCVP第7页/共133页第8页/共133页元元素素HBCOFSiPSClCP9.611.37.516.720.915.922.522.520.4第9页/共133页Ci元素 i 的摩尔热容。第10页/共133页RTNkTE33第11页/共133页)/(2533)(molkJRNkTECVV第12页/共133页)/(252molkJCV)/(253molkJCV第13页/共133页第14页/共133页iihvnE21kTEEiieCNCkTEie第15页/共133页化简得：0)21(0)21( C)21(nkThnnkThniiieCehnEikThihehEi211第16页/共133页NiikThiNiihehEEi313121122311kThkThNiiVViieekThkTECv这就是按照量子理论求得的热容表达式。但要计算CV必须知道谐振子的频谱非常困难，一般采用简化的爱因斯坦模型和德拜模型来处理。第17页/共133页热函数，令爱因斯坦温度。TRfeeTReekThNkCEETTEkThkThiVEEii31313222)(kThfeEEkh第18页/共133页与杜隆珀替公式相一致。ETTTTTeEEEETE1)(! 31)(! 21132RNkTeTNkCETEVE33)()(322第19页/共133页TEVeeTRC23ET1TEe第20页/共133页振动着的，原子振动间有着耦合作用，当温度很低时，这一效应尤其显著。第21页/共133页贡献。第22页/共133页从0到截止频率vmax的谱带。高于vmax的不在声频支范围而在光频支范围，对热容贡献很小，可以忽略不计。第23页/共133页其中TxxDDDDdxexeTTf0 243) 1()(3)()(3TNkfCDDVkThxmax11108 . 4khD第24页/共133页n这表明当T0时，CV与T3成正比并趋于0，这就是德拜T3定律。它与实验结果十分吻合，温度越低，近似越好。34)(512DVTNkCDTRNkCV33DT第25页/共133页第26页/共133页n对于金属类晶体，没有考虑自由电子对热容的贡献。n德拜模型解释不了超导现象。第27页/共133页n-线，这些材料的D约为熔点（热力学温度）的0.2-0.5倍。第28页/共133页第29页/共133页-曲线基本重合。n相变时，由于热量的不连续变化，所以热容也出现了突变。第30页/共133页2cTbTaCP第31页/共133页名 称 a b103 c10-5 温度范围(K) 氮化铝 5.47 7.8 298900 刚玉（-Al2O3） 27.43 3.06 8.47 2981800 莫来石（3 Al2O32SiO4） 87.55 14.96 26.68 2981100 碳化硼 22.99 5.40 10.72 2981373 氧化铍 8.45 4.00 3.17 2981200 氧化铋 24.74 8.00 298800 氮化硼（-BN） 1.82 3.62 2731173 硅灰石（CaSiO3） 26.64 3.60 6.52 2981450 氧化铬 28.53 2.20 3.74 2981800 钾长石（K2OAl2O36SiO2） 63.83 12.90 17.05 2981400 氧化镁 10.18 1.74 1.48 2982100 碳化硅 8.93 3.09 3.07 2981700 -石英 11.20 8.20 2.70 298848 -石英 14.41 1.94 2982000 石英玻璃 13.38 3.68 3.45 2982000 碳化钛 11.83 0.80 3.58 2981800 金红石（TiO2） 17.97 0.28 4.35 2981800 第32页/共133页容。n对于多相复合材料，有如下公式：式中，gi为第i种组成的质量分数，Ci为第i种组成的热容。iiCnCiiCgC第33页/共133页。n物体在温度 T 时的长度lT为：)1 (00TllllTTll0第34页/共133页K/101065)1 (0TVVT第35页/共133页n与上式比较，就有以下近似关系：)31 (0TVVT303303)1 ()1 (TVTllVTT23第36页/共133页n所以)1)(1)(1 (000TTTllllllVcbacbacTbTaTT)(1 0TVVcbaTcba第37页/共133页TllTVV第38页/共133页材、用材。n热膨胀系数与材料的热稳定性直接相关。第39页/共133页第40页/共133页成正比，点势能曲线也是非对称的。n材料热膨胀的本质，归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。第41页/共133页nr=r0与引力相等；n当rr0时，引力随位移的增大要慢一些。第42页/共133页致微观上晶胞参数增大，宏观上表现为晶体的膨胀。第43页/共133页中心，即原子的振动中心位置。显然随着温度的升高，势能增加时，由于势能曲线的不对称，导致振动中心向右移动，即原子间距增大。第44页/共133页要了。第45页/共133页少，故平均位置的位移量增加得较少，因此热膨胀系数较小。第46页/共133页6100 . 7038. 0熔T第47页/共133页第48页/共133页时的体积弹性模量。对于一般材料来说，r值在1.52.5之间。VKrCV0l3VKrCV0第49页/共133页第50页/共133页第51页/共133页第52页/共133页一般比金属的要大，在玻璃化转变温度区还会发生较大的变化。第53页/共133页成后的冷却过程中可能会产生内应力（我们实际应用中可以利用这一点，例如，选择釉层的热膨胀系数比坯体的小）。第54页/共133页TKii第55页/共133页的近似式：0TVKiiiiiiiiiiiiiiWKWKVWV/11211212212121122121122143434121643KGKKKKGVKGKGGKKGKKV第56页/共133页多晶聚集体或复合体出现热膨胀的滞后现象。n晶体内的微裂纹可以发生在晶粒内和晶界上，但最常见的还是在晶界上，晶界上应力的发展是与晶粒大小有关的。因而晶界裂纹和热膨胀系数滞后主要是发生在大晶粒样品中。第57页/共133页压应力，也抑制了釉层的微裂纹及阻碍其发展，因而使强度提高。n反之，当釉层的膨胀系比坯大，则在釉层中形成张应力，对强度不利，而且过大的张应力还会使釉层龟裂。n同样釉层的膨胀系数也不能比坯小得太多，否则会使釉层剥落而造成缺陷。讨论题：热膨胀系数与坯釉适应讨论题：热膨胀系数与坯釉适应性性第58页/共133页但膨胀系数和比热容有突变。V-T曲线是连续的，而dl-T曲线不连续，记录l-T曲线的膨胀实验，方能有效地观察二级相变。第59页/共133页第60页/共133页第61页/共133页加，曲线上出现明显的拐折。n拐折点对应于有序无序转变的上临界上临界温度，温度，通常称有序有序无序转变温度无序转变温度。n有序化会使原子之间的结合力增强，导致膨胀系数变小。第62页/共133页第63页/共133页将减少膨胀系数。含量越高影响越大，固溶体的膨胀系数处于两组元膨胀系数之间。第64页/共133页数。第65页/共133页第66页/共133页第67页/共133页第68页/共133页n热膨胀对于研究材料的组织转变具有独特的贡献。第69页/共133页。n热流密度：单位时间通过与热流垂直的单位面积的热量。一、固体材料热传导的宏观规律一、固体材料热传导的宏观规律第70页/共133页。n负号表示热量向低温处传播，即dT/dx 0，热量沿x轴正方向传递。dT/dx0时，Q0，热量沿x轴负方向进行传递。该式称为简化了的Fourier导热定律。xTq第71页/共133页ndQ/dt为热量迁移率，dT/dx为温度梯度。xTStQdxdTSdtdQ第72页/共133页第73页/共133页温度，此时物体内单位面积上温度随时间的变化率为：22xTCtTP第74页/共133页第75页/共133页式中，C声子热容，l声子平均自由程，V声子平均速度。CVl31第76页/共133页导率的形式为：EV dvvVlvC)()(31第77页/共133页的区域，这部分辐射线也就称为热射线，热射线的传递过程也就称为热辐射。由于它们都在光频范围内，所以在讨论它们的导热过程时，可以看作是光子的导热过程。第78页/共133页是辐射线在介质中的速度。n将两式代入固体导热的一般式，可得：CTnET/443CTnTECv3316)(nCVrrrrrrlTnlVC3231631第79页/共133页对大多数烧结陶瓷来说，是半透明的或不透明的，其lr要比单晶和玻璃小很多，因此，一些耐火材料在1773K的高温下辐射传热才明显。第80页/共133页温度高的体积元辐射的能量大，而吸收的能量较小，温度低的体积元情况相反。因此产生能量的转移，以致整个介质中热量会从高温处向低温处传递。第81页/共133页CVl31第82页/共133页规律：随着温度的升高，l减小；低温下l值的上限为晶粒的线度，高温时l值的下限为晶格间距。如图4-10所示。第83页/共133页第84页/共133页第85页/共133页第86页/共133页多，声子更易受到散射，平均自由程就要小得多，所以热导率小。第87页/共133页第88页/共133页第89页/共133页元素的固体或有大的结合能的固体热导率较大。第90页/共133页第91页/共133页但当温度大约比德拜温度的一半更高时，开始与温度无关。第92页/共133页第93页/共133页111121210dcdcddcdcd第94页/共133页第95页/共133页热导率很小，与固体的热导率相比，可近似看作为零，因此可得到：Ps1第96页/共133页第97页/共133页第98页/共133页第99页/共133页、。适用的温度范围：氧化铝和氧化镁使室温到2073K，氧化铍是1273K2073K。1036105 . 8125TTA第100页/共133页dcT )1 (0bT第101页/共133页。第102页/共133页第103页/共133页第104页/共133页第105页/共133页第106页/共133页第107页/共133页TETTEllEll) ()(0第108页/共133页杆被拉断。n习惯上，张应力定为正值，压应力为负值。第109页/共133页n物体迅速加热时，外表受压应力，而内部受到拉应力。材料迅速冷却时，外表受拉应力，内部受压应力。第110页/共133页TTEazy1第111页/共133页第112页/共133页第113页/共133页TElzx1第114页/共133页n越大，则材料能承受的温度变化越大，抗热震断裂性也就越好。maxzxmaxTETlf)1 (max第115页/共133页ERlf)1 (1f第116页/共133页定义为第二热应力因子。12)1 (RERlf bhEfRfT1第117页/共133页bhRf1 Rf第118页/共133页表面层温差大，材料被损坏的危险性增大。第119页/共133页第120页/共133页定义为材料的导温系数，表征材料在温度变化时内部各部分温度趋于均匀的能力。a越大，愈有利于热稳定性。2max3)1 ()(bCEdtdTlfCa第121页/共133页n这是材料能经受得最大降温速率，陶瓷烧成时，不能超过此值，否则会发生制品炸裂。n适用于玻璃，陶瓷和电子陶瓷。CRRCECEaRlflf213)1 ()1 (23max3)(bRdtdT第122页/共133页第123页/共133页nR4：材料中储存的弹性应变能的倒数，用来比较具有相同断裂表面能材料的抗热震损伤性。nR5：用来比较具有不同断裂表面能材料的抗热震损伤性。)1 (/24 ER)1 (/25 ER第124页/共133页第125页/共133页第126页/共133页第127页/共133页第128页/共133页第129页/共133页n由于抗热震性问题的复杂性，至今还未能建立起一个十分完善的理论，因此任何试图改进材料抗热震性的措施，必须结合具体的使用要求和条件，综合考虑各种因素的影响，同时必须和实际经验相结合。第130页/共133页高，不易产生溶化或分解，允许的使用温度范围很宽，热稳定性较好。第131页/共133页第132页/共133页