热膨胀系数课件

第四章第四章 材料的热学性能材料的热学性能 第一节第一节 材料的热容材料的热容第二节第二节 材料的热膨胀材料的热膨胀第三节第三节 材料的热传导材料的热传导第四节第四节 材料的热稳定性材料的热稳定性1第四章 材料的热学性能 第一节 材料的热容1 热学性能主要包括：热容（thermal content）热膨胀（thermal expansion）热传导（heat conductivity）热稳定性（thermal stability）等本章目的就是探讨热性能与材料宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打下理论基础。2 热学性能主要包括：2主要应用在制造和使用过程中进行热处理时，热容和热导率决定了陶瓷体中温度变化的速率，这些性能是决定抗热应力的基础，同时也决定操作温度和温度梯度。对于用作隔热体的材料来说，低的热导率是必需的性能。陶瓷体或组织中的不同组分由于温度变化而产生不均匀膨胀，能够引起相当大的应力。在陶瓷配方的发展中，在研制合适的涂层、釉和搪瓷以及将陶瓷和其他材料结合使用时所发生的许多最常见的困难是起因于温度所引起的尺寸变化。3主要应用在制造和使用过程中进行热处理时，热容和热导率决定了陶基本概念晶格热振动晶格热振动：晶体点阵中的质点（原子、离子）晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着衡位置作微小振动，称为晶总是围着衡位置作微小振动，称为晶格热振动。格热振动。格波格波：晶体内相邻质点间的热振动存：晶体内相邻质点间的热振动存在着一定的位相差，使晶格热振动以在着一定的位相差，使晶格热振动以弹性波的形式在整个材料内传播，称弹性波的形式在整个材料内传播，称之为晶格波，简称为格波。该弹性波之为晶格波，简称为格波。该弹性波是多频率振动的组合波。是多频率振动的组合波。4基本概念晶格热振动：4声子声子：按量子理论的观点，晶格振动的能量是量子化的。电磁波的能量量子：光子光子格波的能量量子：声子声子晶格热振动的本质晶格热振动的本质：热激发声子。：热激发声子。5声子：按量子理论的观点，晶格振动的能量是量子化的。5声频支振动与光频支振动格波是多频率振动的组合波。声频支振动：声频支振动：如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的位相差不大，则格波类似于弹性体中的应变波，称为“声频支振动”。特点特点：1）频率较低，类似声波频率。2）可认为相邻原子振动方向相同。6声频支振动与光频支振动格波是多频率振动的组合波。6光光频频支支振振动动：格波中频率甚高的振动波，质点彼此之间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为“光频支振动”。特点特点：1）频率较高，类似光波频率。2）可认为相邻原子振动方向相反。7光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点彼此之间的位相差很大88热容：热容：是物体温度升高1K所需要增加的能量。（J/K）显然，质量不同热容不同，温度不同热容也不同。第一节第一节 材料的热容材料的热容一、基本概念一、基本概念9热容：是物体温度升高1K所需要增加的能量。（J/K）显然比热容单位 ,摩尔热容单位 。平均热容 ，范围愈大，精度愈差。恒压热容 恒容热容 各种热容各种热容10比热容单位 对于固体材料CP与CV差异很小，见图3.2。11对于固体材料CP与CV差异很小，见图3.2。11二、晶态固体热容的经验定律（二、晶态固体热容的经验定律（experience law）1、杜隆一珀替定律：、杜隆一珀替定律：（元素的热容定律）（元素的热容定律）恒压下元素的原子热容为恒压下元素的原子热容为 表表3.1 部分轻元素的原子热容部分轻元素的原子热容:元素元素HBCOFSiPSClCP9.611.37.516.720.915.922.522.520.412二、晶态固体热容的经验定律（experience law）2、柯普定律：、柯普定律：（化合物的热容定律）（化合物的热容定律）化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和。之和。即：C=nici。其中，ni化合物中元素i的原子数；ci元素 i 的摩尔热容。132、柯普定律：（化合物的热容定律）13经典热容理论的解释按经典理论，能量按自由度均分。每个原子三个振动自由度；每个振动自由度的平均动能、平均位能均为 ，即一个振动自由度能量为kT。则一个原子的总能量为3kT。14经典热容理论的解释按经典理论，能量按自由度均分。141mol 固体中有 个原子，总能量为 =6.0231023/mol 阿佛加德罗常数，=R/N=1.38110-23 J/K 玻尔茨曼常数，=8.314 J/(kmol)，T热力学温度（K）。151mol 固体中有 个原子，总能量为15 由上式可知，热容是与温度T无关的常数（constant），这就是杜隆一珀替定律。按热容定义：16 由上式可知，热容是与温度T无关的常数（c杜隆珀替定律在高温时与实验结果很吻合。但在低温时，CV 的实验值并不是一个恒量，下面将要作详细讨论。对于三原子的固态化合物的摩尔热容：其余依此类推。对于双原子的固体化合物，1mol中的原子数为2N，故摩尔热容为 17杜隆珀替定律在高温时与实验结果很吻合。但在低温时，CV 的经典热容定律的局限1）不能说明高温下，不同温度下热容的微小差别。）不能说明高温下，不同温度下热容的微小差别。2）不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，）不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近绝对零度时，热容按在接近绝对零度时，热容按T的三次方趋近与零的的三次方趋近与零的试验结果。试验结果。18经典热容定律的局限1）不能说明高温下，不同温度下热容的微小差室温下一些固体的摩尔热容室温下一些固体的摩尔热容 实验表明：固体的热容量随温度的降低而减小，当温度T趋于零时，各种固体的热容量也都趋于零。19室温下一些固体的摩尔热容 实验表明：固体的热容量随温度的降低 三、晶态固体热容的量子理论（quantum theory）普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量都是以 hv 为最小单位.式中,普朗克常数，普朗克常数，=园频率。20 三、晶态固体热容的量子理论（quantum theory）将上式中多项式展开各取前几项，化简得：根据麦克斯威波尔兹曼分配定律可推导出，在温度为T时，一个振子的平均能量为:21 将上式中多项式展开各取前几项，化简得：在高温时，所以 即每个振子单向振动的总能量与经典理论一致。由于1mol固体中有N个原子，每个原子的热振动自由度是3，所以1mol固体的振动可看做3N个振子的合成运动，则1mol固体的平均能量为：22 22 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（very difficult）。23 这就是按照量子理论求得的热容表达式。但要计算 爱因斯坦模型爱因斯坦模型 德拜的比热模型德拜的比热模型晶态固体热容的量子理论模型24 爱因斯坦模型晶态固体热容的量子理论模型24爱因斯坦模型爱因斯坦模型该模型假定该模型假定：每个振子都是独立的振子，原子之间彼此无每个振子都是独立的振子，原子之间彼此无关，每个振子振动的角频率相同。故有关，每个振子振动的角频率相同。故有：称为爱因斯坦比热函数 热容的量子理论25爱因斯坦模型该模型假定：称为爱因斯坦比热函数 热容的量子理论爱因斯坦模型爱因斯坦模型当当 T E 时时当当T E 时当T D，Cv=3Nk当温度稳低时，T D，Cv=3Nk当温度德拜模型的缺陷德拜模型的缺陷热容的量子理论1）在低温下还不能完全符合事实，由于晶体毕竟不是一个连续体。2）解释不了超导现象。30德拜模型的缺陷热容的量子理论1）在低温下还不能完全符合事实，四、无机材料的热容及影响因素四、无机材料的热容及影响因素 根据德拜热容理论，在高于德拜温度D时，低于D时，CVT3成正比，不同材料D也不同。例如，石墨D=1973K，BeO 的D=1173K，Al2O3的D=923K。31四、无机材料的热容及影响因素31 图3.3是几种材料的热容-温度曲线。这些材料的D约为熔点（热力学温度）的0.2-0.5倍。对于绝大多数氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值增加到1273K左右的近似于25J/Kmol的数值。温度进一步增加，热容基本上没有什么变化。图中几条曲线不仅形状相似，而且数值也很接近。32 图3.3是几种材料的热容-温度曲线。这些材料的无机材料的热容规律无机材料的热容规律不不同同材材料料D不不同同，D取取决决于于材材料料的的键键 强强度，弹性模量和熔点。度，弹性模量和熔点。无机材料有大致相同的比热曲线。无机材料有大致相同的比热曲线。33无机材料的热容规律不同材料D不同，D取决于材料的键 强1）无机材料的热容与材料的结构无明显的关系无机材料的热容与材料的结构无明显的关系无机材料的热容规律无机材料的热容规律341）无机材料的热容与材料的结构无明显的关系无机材料的热容规无机材料的热容规律无机材料的热容规律2）热容与相变：在相变点附近，热容通常）热容与相变：在相变点附近，热容通常出现突变。出现突变。3）单位体积的热容与气孔率有关单位体积的热容与气孔率有关：多孔：多孔材料热容小材料热容小35无机材料的热容规律2）热容与相变：在相变点附近，热容通常出现无机材料的热容规律无机材料的热容规律4）一般情况下，热容与温度的关系，可用）一般情况下，热容与温度的关系，可用如下经验公式如下经验公式Cp=a+bT+CT-2+。单位：单位：4.18 J/(mol.k)，其具体数值可查其具体数值可查 有关手册。有关手册。36无机材料的热容规律4）一般情况下，热容与温度的关系，可用如下无机材料的热容规律无机材料的热容规律5）高温下固体的摩尔热容约等于构成该）高温下固体的摩尔热容约等于构成该固体化合物的各元素的原子热容的总和固体化合物的各元素的原子热容的总和 C=niCi式中，ni：原子的分数，ci：原子的摩尔热容 37无机材料的热容规律5）高温下固体的摩尔热容约等于构成该固体化无机材料的热容规律无机材料的热容规律6）多相复合材料的热容约等于构成该复）多相复合材料的热容约等于构成该复合材料的物质的热容之和合材料的物质的热容之和 C=giCi式中，gi：材料中第i种组成的重量百分数，ci：材料中第i种组成的比热容。38无机材料的热容规律6）多相复合材料的热容约等于构成该复合材料一、热膨胀系数（一、热膨胀系数（Thermal expansion coefficient）热热膨膨胀胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀。式中，l线膨胀系数线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的 相对伸长。物体在温度 T 时的长度lT为：第二节第二节 材料的热膨胀材料的热膨胀39一、热膨胀系数（Thermal expansion coef 无机材料的 ,l通常随T升高而加大。同理，物体体积随温度的增加可表示为：式中，V体膨胀系数，相当于温度升高1k时物体体积相对增长值。对于立方晶系立方晶系（cube）由于l 值很小，可略 以上的高次项，则：40 无机材料的 与上式比较，就有以下近似关系：对于其它晶系，各晶轴方向的线膨胀系数不同，假如分别为a、b、c，则 同样忽略二次方以上项：所以 一般膨胀系数的精确表达式：41与上式比较，就有以下近似关系：41 一般耐火材料线膨胀系数，常指在201000范围内的l平均值。一般l愈小，材料热稳定性愈好。例如Si3N4的l=2.710-6/K。42 一般耐火材料线膨胀系数，常指在201000无机材料的热膨胀无机材料的热膨胀某些无机材料热膨胀系数与温度的关系某些无机材料热膨胀系数与温度的关系43无机材料的热膨胀某些无机材料热膨胀系数与温度的关系43 二、固体材料热膨胀机理二、固体材料热膨胀机理 所谓线性振动线性振动是指质点间的作用力与距离成正比，即微观弹性模量为常数。非线性振动非线性振动是指作用力并不简单地与位移成正比，热振动不是左右对称的线性振动而是非线性振动。见图3.5、图3.6。在双原子模型中，如左原子视为不动，则右原子所具有的点阵能 为最小值，如有伸长量 时，点阵能变为 。将此通式展开 44 444545式中第一项为常数，第二项为零，则式中，；如果只考虑上式的前两项，则，即点阵能曲线是抛物线。原子间的引力为：式中是微观弹性系数，为线性简谐振动，平衡位置仍在r0处，上式只适用于热容CV的分析。46式中第一项为常数，第二项为零，则46 但对于热膨胀问题，如果还只考虑前两项，就会得出所有固体物质均无热膨胀。因此必须再考虑第三项。此时点阵能曲线为三次抛物线，即固体的热振动是非线性振动。用波尔兹曼统计法，可算出平均位移（average displacement）。47 但对于热膨胀问题，如果还只考虑前两项，就会得由此得热膨胀系数：式中，、均为常数，似乎也是常数。但若再多考虑，4，5，时，则可得到T变化规律。三、热膨胀和其他性能关系 1热膨胀和结合能、熔点的关系 质点间结合力愈强，热膨胀系数愈小，见表3.2。48由此得热膨胀系数：482热膨胀与温度、热容关系 见图3.7。温度T低，tg小，则小；反之，温度T愈高，愈大。热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容密切相关并有着相似的规律。见图3.8。表3.2492热膨胀与温度、热容关系 表3.2495050第三节第三节 无机材料的热传导无机材料的热传导一、材料的热传导一、材料的热传导二、热传导的微观机理二、热传导的微观机理三、影响热导率的因素三、影响热导率的因素四、某些无机材料的热导率四、某些无机材料的热导率51第三节 无机材料的热传导一、材料的热传导511.热导率（导热系数）的定义热导率（导热系数）的定义：热能：热能Q从高温端从高温端T1传递到低温端传递到低温端T2所需所需 要的时间要的时间：热导率（导热系数）：热导率（导热系数）一、一、材料的热传导当固体材料一端当固体材料一端 的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端，这个现象就是端，这个现象就是热传导热传导。521.热导率（导热系数）的定义：热能Q从高温端T1传递到低傅里叶（傅里叶（Fourier）定律）定律负号表示热流方向与温度梯度（负号表示热流方向与温度梯度（dT/dx）的方向相反）的方向相反【W/(mK)或J/(ms K)】导热系数的物理意义：导热系数的物理意义：在在单位温度梯度单位温度梯度下，下，单位时间单位时间内通过内通过单位截面积单位截面积的热量。的热量。条条件件：稳稳定定传传热热，即即传传热热过过程程中中，材材料料在在传传热热方方向向上上各各处处的的温度温度T是恒定的，与时间无关，是恒定的，与时间无关，Q/t是是 常数。常数。稳定传热过程稳定传热过程53傅里叶（Fourier）定律负号表示热流方向与温度梯度（dT导热系数导热系数 反映了物质的导热能力。反映了物质的导热能力。不同物质，差异很大。不同物质，差异很大。金属金属 50415 W/(mK)合金合金 12120 W/(mK)非金属液体非金属液体 0.170.7 W/(mK)绝热材料绝热材料 0.030.17 W/(mK)大气压下气体大气压下气体 0.0070.17 W/(mK)54导热系数反映了物质的导热能力。金属50415 W/(m不稳定传热过程不稳定传热过程一一个个与与外外界界无无热热交交换换，本本身身存存在在温温度度梯梯度度的的物物体体，存存在在热热端端 温温度度不不断断降降低低，冷冷端端温温度度不不断断提提高高，最最终终达达到到一一致致 的的平平衡衡温温度度。此此时时物物体体单单位位面面积积上上温温度度随时间的变化为：随时间的变化为：不稳定传热，即物体内各处的温度随时间而变化。不稳定传热，即物体内各处的温度随时间而变化。密度密度cp 恒压热容恒压热容55不稳定传热过程一个与外界无热交换，本身存在温度梯度的物体，存2.热扩散率（导温系数）的定义：热扩散率（导温系数）的定义：a：导温系数：导温系数：密度：密度cp：热容：热容导温系数表征材料在温度变化时，内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。即在部各部分温度趋于均匀的能力。即在导热过程中，导温系数标志着温度变导热过程中，导温系数标志着温度变化的速度。化的速度。在相同的加热或冷却条件下，在相同的加热或冷却条件下，a愈大，愈大，则物体内各处温度差愈小。则物体内各处温度差愈小。：热膨胀系数：热膨胀系数E：弹性模量：弹性模量：应力：应力钢件淬火时产生的热应力：钢件淬火时产生的热应力：562.热扩散率（导温系数）的定义：a：导温系数导温系数表征材料气体导热气体导热质点间直接碰撞质点间直接碰撞金属导热金属导热自由电子间碰撞自由电子间碰撞固体导热固体导热晶格振动（格波）；并且格波晶格振动（格波）；并且格波分为声频支（低温；声子导热）和光频分为声频支（低温；声子导热）和光频 支（高温；光子导热）两类支（高温；光子导热）两类 二、二、热传导的微观机理57气体导热质点间直接碰撞二、热传导的微观机理571：声子和声子导热：声子和声子导热根据量子理论根据量子理论 一个谐振子的能量变化不能取任意值，只能取量子一个谐振子的能量变化不能取任意值，只能取量子能量的整数倍，一个量子所具有的能量为能量的整数倍，一个量子所具有的能量为h晶格振动中的能量同样是量子化的，声频支格波可晶格振动中的能量同样是量子化的，声频支格波可以看成是一种弹性波，类似在固体中传播的声波，以看成是一种弹性波，类似在固体中传播的声波，声频波的量子称为声频波的量子称为声子声子，它所具有的能量应该为，它所具有的能量应该为h当把格波的传播看成声子的运动后，可把格波与物当把格波的传播看成声子的运动后，可把格波与物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞质的相互作用理解为声子和物质的碰撞581：声子和声子导热58因此，可用气体中热传导的概念处理声子热传导问题，因此，可用气体中热传导的概念处理声子热传导问题，晶体热传导是声子碰撞的结果晶体热传导是声子碰撞的结果 气体热传导公式气体热传导公式 C：气体容积热容；：气体容积热容；：气体分子平均速度：气体分子平均速度 l：气体分子平均自由程：气体分子平均自由程59因此，可用气体中热传导的概念处理声子热传导问题，晶体热传导是由于声子的速度可以看成是仅与晶体的密度由于声子的速度可以看成是仅与晶体的密度和弹性力学性质有关，而与频率无关的参和弹性力学性质有关，而与频率无关的参量。但热容和平均自由程都是声子振动频量。但热容和平均自由程都是声子振动频率的函数。率的函数。所以固体热导率的普遍形式为：所以固体热导率的普遍形式为：60由于声子的速度可以看成是仅与晶体的密度和弹性力学性质有关，而2：光子导热：光子导热因为固体具有能量，会辐射出频率较高的电磁波因为固体具有能量，会辐射出频率较高的电磁波电磁波的频谱为：波长：电磁波的频谱为：波长：0.4-40m；为可见光与部；为可见光与部分红外光分红外光可见光与红外光称为热射线，传递过程称为热辐射可见光与红外光称为热射线，传递过程称为热辐射由于在光频范围，可看成光子的导热过程由于在光频范围，可看成光子的导热过程黑体单位容积的辐射能黑体单位容积的辐射能 ：常数；：常数；n：折射率；：折射率；vc：光速：光速612：光子导热61辐射传热中容积热容相当于提高辐射温度所需的能量辐射传热中容积热容相当于提高辐射温度所需的能量 辐射线在介质中的传播速度辐射线在介质中的传播速度辐射能的传导率辐射能的传导率 62辐射传热中容积热容相当于提高辐射温度所需的能量 623：电子导热：电子导热由于电子导热可以看成自由电子的碰撞，同理可得电子由于电子导热可以看成自由电子的碰撞，同理可得电子的导热率为：的导热率为：总结：总结：1）对纯金属，电子导热是主要机制）对纯金属，电子导热是主要机制 2）在合金中，声子导热的作用加强）在合金中，声子导热的作用加强 3）对半导体，声子导热与电子导热相仿）对半导体，声子导热与电子导热相仿 4）绝缘体，几乎只存在声子导热机制）绝缘体，几乎只存在声子导热机制 5）光子导热只能在极高温度下存在）光子导热只能在极高温度下存在 633：电子导热631.温度的影响温度的影响三、三、影响热导率的因素气体：随温度的升高，其导热系数增大。气体：随温度的升高，其导热系数增大。金属材料：随温度的升高，其导热系数先增大，超过一定值后，金属材料：随温度的升高，其导热系数先增大，超过一定值后，缓慢下降。缓慢下降。耐火氧化物多晶材料：随温度的升高，其导热系数下降。耐火氧化物多晶材料：随温度的升高，其导热系数下降。物质的种类不同，导热系数随温度的变化规律不同。物质的种类不同，导热系数随温度的变化规律不同。例如：例如：不致密的耐火材料：由于气孔导热的贡献，随着温度的升高，不致密的耐火材料：由于气孔导热的贡献，随着温度的升高，导热率略有提高。导热率略有提高。641.温度的影响三、影响热导率的因素气体：随温度的升高，其导热65652.显微结构的影响显微结构的影响（1 1）结晶构造的影响）结晶构造的影响声声子子传传导导与与晶晶格格振振动动的的非非谐谐性性有有关关。晶晶体体结结构构愈愈复复杂杂，晶晶格格振振动动的的非非谐谐性性程程度度愈愈大大。格格波波受受到到的的散散射射愈大，因此，声子平均自由程较小，热导率较低。愈大，因此，声子平均自由程较小，热导率较低。如：如：镁铝尖晶石的热导率比镁铝尖晶石的热导率比Al2O3和和MgO的热导率都低，莫来的热导率都低，莫来石的结构更复杂，其热导率比尖晶石还低得多。石的结构更复杂，其热导率比尖晶石还低得多。（2 2）各向异性晶体的热导率）各向异性晶体的热导率非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性，膨胀系数低非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性，膨胀系数低的方向，热导率大。的方向，热导率大。温度升高时，不同方向的热导率差异减小。因为温温度升高时，不同方向的热导率差异减小。因为温度升高，晶体结构的对称性提高。度升高，晶体结构的对称性提高。662.显微结构的影响（1）结晶构造的影响声子传导与晶格振动的（3 3）多晶体与单晶体的热导率）多晶体与单晶体的热导率对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶体小。对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶体小。因为多晶体中，晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处因为多晶体中，晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子更易受到散射，其平均自由程要小得多，杂质也多，声子更易受到散射，其平均自由程要小得多，所以热导率小。所以热导率小。温度愈高，差异愈大：温度愈高，差异愈大：晶界、缺陷、杂质在高温时对声子的阻碍作用更强；晶界、缺陷、杂质在高温时对声子的阻碍作用更强；高温时，单晶中光子传导效应比多晶中更明显。高温时，单晶中光子传导效应比多晶中更明显。67（3）多晶体与单晶体的热导率对于同一种物质，多晶体的热导率总6868（4 4）非晶体的热导率）非晶体的热导率非非晶晶体体具具有有“近近程程有有序序，长长程程无无序序”的的结结构构。低低温温下下，其其声声子子平平均均自由程在不同温度上基本为常数，其值近似等于几个晶格的间距。自由程在不同温度上基本为常数，其值近似等于几个晶格的间距。较较高高温温度度下下，玻玻璃璃的的导导热热主主要要由由热热容容与与温温度度的的关关系系决决定定；较较高高温温度度以上则需考虑光子导热的贡献。以上则需考虑光子导热的贡献。hgFhg光子热导大光子热导大光子热导小光子热导小非晶体导热系数曲线非晶体导热系数曲线69（4）非晶体的热导率非晶体具有“近程有序，长程无序”的结构。不不考考虑虑光光子子导导热热的的贡贡献献时时，所所有有温温度度下下非非晶晶体体的的导导热热系系数数都都比比晶体的小；晶体的小；晶体和非晶体材料的导热系数在高温时比较接近；晶体和非晶体材料的导热系数在高温时比较接近；非晶体材料的导热系数不存在峰值点；非晶体材料的导热系数不存在峰值点；组分对非晶体导热系数的影响较小。组分对非晶体导热系数的影响较小。70不考虑光子导热的贡献时，所有温度下非晶体的导热系数都比晶体的3.化学组成的影响化学组成的影响构成晶体的质点的大小、性质不同，其晶格振动状态不构成晶体的质点的大小、性质不同，其晶格振动状态不同，导致其热导率不同。同，导致其热导率不同。一般而言，质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈一般而言，质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率愈大。大，德拜温度愈高，则热导率愈大。因此，轻元素的固体和结合能高的固体热导率较大。因此，轻元素的固体和结合能高的固体热导率较大。如：如：金刚石金刚石=1.7 10-2 W/(m K)Si=1.0 10-2 W/(m K)Ge=0.5 10-2 W/(m K)713.化学组成的影响构成晶体的质点的大小、性质不同，其晶格振杂杂质质、固固溶溶体体的的形形成成使使热热导导率率降降低低，取取代代元元素素的的质质量量和和大大小小与与基基体体元元素素相相差差越越大大，取取代代后后结结合合力力改改变变越越大大，对对热热导导率率的的影影响响越大。越大。72杂质、固溶体的形成使热导率降低，取代元素的质量和大小与基体元4.复相材料的热导率复相材料的热导率分散相均匀地分散在连续相中：分散相均匀地分散在连续相中：c和和 d分别为基体和分散相的的热导率分别为基体和分散相的的热导率Vd：分散相的体积分数：分散相的体积分数734.复相材料的热导率分散相均匀地分散在连续相中：c和d5.气孔的影响气孔的影响将气孔看作分散相：将气孔看作分散相：s：固相的热导率：固相的热导率p：气孔的体积分数：气孔的体积分数在不改变结构状态的情况下，气孔率增在不改变结构状态的情况下，气孔率增大，总是使大，总是使 降低。降低。多孔、泡沫硅酸盐、纤维制品、粉末和空心球状轻质陶多孔、泡沫硅酸盐、纤维制品、粉末和空心球状轻质陶瓷制品的保温原理。瓷制品的保温原理。对对于于陶陶瓷瓷，当当温温度度较较低低时时，在在气气孔孔较较少少、尺尺寸寸较较小小、分分布布均均匀匀的的情情况况下下，气气孔孔可可看看作作一一分分散散相相，此此时时陶陶瓷瓷材材料料的热导率按复相陶瓷的热导率计算。的热导率按复相陶瓷的热导率计算。745.气孔的影响将气孔看作分散相：s：固相的热导率在不改变结四、四、某些无机材料的热导率由于影响无机材料热导率的因由于影响无机材料热导率的因素复杂，实际材料的热导率一素复杂，实际材料的热导率一般依靠实验测定。般依靠实验测定。低温具有较高热导率的材料，低温具有较高热导率的材料，随着温度的升高，热导率降低。随着温度的升高，热导率降低。地热导率的材料正好相反。地热导率的材料正好相反。75四、某些无机材料的热导率由于影响无机材料热导率的因素复杂，实低温具有较高热导率的材料低温具有较高热导率的材料（Al2O3，BeO，MgO）：A：常数：常数T：热力学温度：热力学温度对于对于Al2O3、MgO、BeO，A分别为分别为16.2，18.8，55.4，适用，适用温度范围分别为温度范围分别为2073K、2073K、1273 2073K。玻璃体的热导率随温度的升高缓慢增大。高于玻璃体的热导率随温度的升高缓慢增大。高于773K时，由时，由于辐射传热效应使其热导率上升较快，经验公式为：于辐射传热效应使其热导率上升较快，经验公式为：建筑材料、粘土质耐火砖、保温砖：建筑材料、粘土质耐火砖、保温砖：c、d：常数：常数T：热力学温度：热力学温度b：常数：常数 0：0C时材料的热导率时材料的热导率76低温具有较高热导率的材料（Al2O3，BeO，MgO）：A：热导率热导率微观机理微观机理影响因素影响因素举例举例热学性能热学性能晶格振动晶格振动热容热容热膨胀热膨胀热传导热传导热稳定性热稳定性77热导率微观机理影响因素举例热学性能晶格振动热容热膨胀热传导热第四第四节节 无机材料的热稳定性无机材料的热稳定性热稳定性（抗热震性）热稳定性（抗热震性）：材料承受温度的急剧材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。变化（热冲击）而不致破坏的能力。热冲击损坏的类型热冲击损坏的类型：抗热冲击断裂性抗热冲击断裂性-材料发生瞬时断裂；材料发生瞬时断裂；抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性-在热冲击循环作用下，在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。裂或变质。78第四节 无机材料的热稳定性热稳定性（抗热震性）：材料承受温无机材料的热稳定性无机材料的热稳定性 热应力定义热应力定义 由于温度变化而引起的应力称为热应力由于温度变化而引起的应力称为热应力 抗热冲击断裂性抗热冲击断裂性 它是指在非正常热传导的急冷或急热的情况它是指在非正常热传导的急冷或急热的情况 下，物体内温度梯度和冲击热应力促使材料失下，物体内温度梯度和冲击热应力促使材料失去延性而产生脆性破坏。去延性而产生脆性破坏。抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性 热损伤可导致材料的表面开裂、剥落并不断热损伤可导致材料的表面开裂、剥落并不断 发展发展。79无机材料的热稳定性 热应力定义79一、热稳定性的表示方法一、热稳定性的表示方法1.一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度前一次加热温度0C表示。（日用瓷）表示。（日用瓷）2.试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重复这样的操作，直至试样失重间，重复这样的操作，直至试样失重20%为止，为止，以其操作次数以其操作次数n表示。（普通耐火材料）表示。（普通耐火材料）耐火材料耐火材料：1123K；40min；283293K；3(510)min80一、热稳定性的表示方法1.一定规格的试样，加热到一定温3.试样加热到一定温度后，在水中急冷，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）。定性的指标。（高温结构材料）。813.试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的 构件的热膨胀或收缩受到约束时造成应构件的热膨胀或收缩受到约束时造成应力力;相连接的两个构件存在温度差，构件间相连接的两个构件存在温度差，构件间相互约束造成热应力相互约束造成热应力;构件存在温度梯度，其间各部分相互约构件存在温度梯度，其间各部分相互约束，钢化玻璃束，钢化玻璃;不同材料的组合和约束造成热应力。不同材料的组合和约束造成热应力。二、热应力的产生二、热应力的产生82 构件的热膨胀或收缩受到约束时造成应力;二、热应力的产生8热应力热应力指由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。指由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。l热应力：热应力：产生原因：产生原因：机械约束机械约束多相复合材料多相复合材料存在温度梯度存在温度梯度冷却时，产生的热应力为张应力（正值），这种应力才会使杆件断裂。冷却时，产生的热应力为张应力（正值），这种应力才会使杆件断裂。83热应力指由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。l热应力：产生原因三、热应力的计算三、热应力的计算薄板的热应力图薄板的热应力图84三、热应力的计算薄板的热应力图84热应力的计算热应力的计算解得：不允许不允许x方向涨缩方向涨缩不允许不允许z方向涨缩方向涨缩85热应力的计算解得：不允许x方向涨缩不允许z方向涨缩85热应力的计算热应力的计算当当t=0t=0时时，若它恰好达到材料强度，则会若它恰好达到材料强度，则会出现开裂破坏，求得：出现开裂破坏，求得：对于非薄板材料对于非薄板材料：86热应力的计算当t=0时，若它恰好达到材料强度，则会出现开裂破四、抗热冲击断裂性能四、抗热冲击断裂性能第一热应力抵抗因子第一热应力抵抗因子 只要材料中最大热应力值只要材料中最大热应力值maxmax不超过不超过材料的强度极限材料的强度极限f f，材料就不会破坏。显，材料就不会破坏。显然，然，TTmaxmax越大，则材料的热稳定性越好。越大，则材料的热稳定性越好。定义定义：为为第一热应力断裂抵抗因子第一热应力断裂抵抗因子()。87四、抗热冲击断裂性能第一热应力抵抗因子 只要材料中最大抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能材料是否出现断裂，还要考虑如下因素材料是否出现断裂，还要考虑如下因素:材料中的应力分布材料中的应力分布产生的速率和持续时间产生的速率和持续时间材料的特性材料的特性(如塑性、均匀性、驰豫性如塑性、均匀性、驰豫性)原先存在的裂纹、缺陷原先存在的裂纹、缺陷88抗热冲击断裂性能材料是否出现断裂，还要考虑如下因素:材料中的抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般有如下规律有如下规律:热导率越高，传热越快，有利于热稳定热导率越高，传热越快，有利于热稳定;传热途径传热途径(通道通道)短，易使材料中的温度均匀短，易使材料中的温度均匀;表面散热速率大，内外温差就大，热应力就高，就越不利于热稳定性表面散热速率大，内外温差就大，热应力就高，就越不利于热稳定性。材料的表面散热速率：表面向外散热快，材料内外温差大，热应力大，材料的表面散热速率：表面向外散热快，材料内外温差大，热应力大，引入引入表面热传递系数表面热传递系数h h材料表面温度比周围材料表面温度比周围环境温度高环境温度高1K1K时在单位面积单位时间带走的热量时在单位面积单位时间带走的热量（J/scm2oC)。89抗热冲击断裂性能热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为条件条件 h(J/scm2oC)空气流过圆柱体空气流过圆柱体 流速流速287kg/(sm2)0.109 流速流速120 0.050 流速流速12 0.0113 流速流速0.12 0.0011 从从1000oC向向0oC辐射辐射 0.0147 从从500oC向向0oC辐射辐射 0.00398水淬水淬 0.44.1喷气涡轮机叶片喷气涡轮机叶片 0.0210.08 h实测值实测值90条件 h(J/scm2oC)空气流过圆柱体 第二热应力抵抗因子第二热应力抵抗因子抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能第二热应力断裂第二热应力断裂抵抗因子抵抗因子J/(cms)91第二热应力抵抗因子抗热冲击断裂性能第二热应力断裂91抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能不同条件下，材料淬冷断裂的最大温差不同条件下，材料淬冷断裂的最大温差rmh/4.18J/(cmsK)T0-Ts/92抗热冲击断裂性能不同条件下，材料淬冷断裂的最大温差rmh/4无限平板剖面上的温度分布图无限平板剖面上的温度分布图抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力TsTavTcrmTc-Ts=T093无限平板剖面上的温度分布图抗热冲击断裂性能冷却速率引起材料中抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能第三热应力抵抗因子第三热应力抵抗因子第三热应力因子第三热应力因子94抗热冲击断裂性能第三热应力抵抗因子第三热应力因子94热应力引起的材料断裂破坏，还与冷却速率引起材料中的温度热应力引起的材料断裂破坏，还与冷却速率引起材料中的温度梯度有关。梯度有关。a：导温系数：导温系数：密度：密度cp：热容：热容最大冷却速率：最大冷却速率：95热应力引起的材料断裂破坏，还与冷却速率引起材料中的温度梯度有提高抗热冲击断裂性能的措施提高抗热冲击断裂性能的措施1.1.提高材料强度提高材料强度，减小弹性模量，减小弹性模量E E 2.2.提高材料的热导率，使提高材料的热导率，使RR提高提高 3.3.减小材料的热膨胀系数减小材料的热膨胀系数 4.4.减少材料表面热传递系数减少材料表面热传递系数h h 5.5.减小产品的有效厚度减小产品的有效厚度r rm m96提高抗热冲击断裂性能的措施提高材料强度，减小弹性模量E 9