材料性能检测课件：5热学性能（第一章）.ppt

1、 由于材料及其制品都是在一定的由于材料及其制品都是在一定的温度环境下使用的，在使用过程中，温度环境下使用的，在使用过程中，将对不同的温度作出反映，表现出不将对不同的温度作出反映，表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的为材料的热学性能热学性能。材料热学性能材料热学性能 材料热学性能材料热学性能主要有热容、热膨主要有热容、热膨胀、热传导、热稳定性等。胀、热传导、热稳定性等。 材料的组织结构发生变化时常伴随一定材料的组织结构发生变化时常伴随一定的热效应，因此，在研究热函与温度的关系的热效应，因此，在研究热函与温度的关系中可以确定热容和潜热的变化。热性能分析中

2、可以确定热容和潜热的变化。热性能分析已成为材料科学研究中重要手段之一，特别已成为材料科学研究中重要手段之一，特别是对于确定临界点并判断材料的相变特征时是对于确定临界点并判断材料的相变特征时有重要意义。有重要意义。 晶格热振动晶格热振动是三维的。在三维方向上是三维的。在三维方向上各质点热运动时动能的总和，即为该材料各质点热运动时动能的总和，即为该材料的的热量热量。 我们研究材料的热学性能就是此种热我们研究材料的热学性能就是此种热量的不同表现形式。量的不同表现形式。 材料的各种热性能的材料的各种热性能的物理本质物理本质，均与，均与晶格振动晶格振动有关。材料是由晶体及非晶体组有关。材料是由晶体及非晶

3、体组成的。晶体点阵中的质点（原子、离子）成的。晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产生热量。这种振动称为生热量。这种振动称为晶格热振动晶格热振动。晶格。晶格热振动以热振动以格波格波的形式在材料内传播。的形式在材料内传播。材料热学性能的物理本质材料热学性能的物理本质材料热学性能的物理本质材料热学性能的物理本质一维双原子点阵中的格波一维双原子点阵中的格波主要内容主要内容l材料的热容及检测材料的热容及检测l材料的热膨胀性能及检测材料的热膨胀性能及检测l材料的的热传导及热导率检测材料的的热传导及热导率检测l材料的热稳定性及表示方法材料的热

4、稳定性及表示方法l材料的热电性能及热电动势检测材料的热电性能及热电动势检测热容定义热容定义热容是使材料温度升高热容是使材料温度升高1K所需的能所需的能量，它反映材料从周围环境中吸收热量量，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，不同温度下，热容不同的能力，不同温度下，热容不同 TTTQCq 比热容比热容 1.TQTmc1.QcT m均pppTHTQCvvvTUTQCq 平均比热容平均比热容 q摩尔热容摩尔热容q 恒压热容恒压热容q 恒容热容恒容热容mCcM 化合物热容定律化合物热容定律奈曼奈曼-柯普定律柯普定律iiCnC 爱因斯坦模型爱因斯坦模型 德拜热容模型德拜热容模型晶态固体热容的量子理晶态

5、固体热容的量子理论论晶态固体热容的量子理晶态固体热容的量子理论论 以上有关热容的量子理论，对于原子以上有关热容的量子理论，对于原子晶体和一部分较简单的离子晶体，如晶体和一部分较简单的离子晶体，如Al、Ag、C、KCl、Al2O3，在较宽广的温度范，在较宽广的温度范围内都与实验结果符合得很好，但并不完围内都与实验结果符合得很好，但并不完全适用于其他化合物。因为较复杂的分子全适用于其他化合物。因为较复杂的分子结构往往会有各种高频振动耦合。至于多结构往往会有各种高频振动耦合。至于多晶、多相体系材料情况还复杂得多。晶、多相体系材料情况还复杂得多。 无机非金属材料的热容，符合德拜热容理无机非金属材料的热

6、容，符合德拜热容理论，即在高于德拜温度论，即在高于德拜温度D时，热容趋于常时，热容趋于常数数25J/Kmol，低于，低于D时与时与T3呈正比。不同呈正比。不同的无机材料的无机材料D是不同的，是不同的， 无机材料的热容特点无机材料的热容特点石墨为石墨为1973K，BeO为为1173K，Al2O3为为923K等等。D取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。如：如：max11max0.76 10Dk对于绝大多数对于绝大多数氧化物氧化物、碳化物碳化物，热容，热容都是从低温时的一个低的数值增加到都是从低温时的一个低的数值增加到似于似于25J/Kmol的数值，进一步

7、增加温的数值，进一步增加温度，热容基本上没有什么变化。度，热容基本上没有什么变化。无机材料的热容特点无机材料的热容特点不同温度下某些陶瓷材料的热容不同温度下某些陶瓷材料的热容 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有大致相同的热容曲线无机材料有大致相同的热容曲线 在较高温度下，固体的摩尔热容约等于构成该在较高温度下，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，式中， ni：化合物中元素化合物中元素i的原子数，的原子数， ci ：化合物中元素化合物中元素i的摩尔热容的摩尔热容

8、多相复合材料的比热容约等于构成该复合材多相复合材料的比热容约等于构成该复合材料的物质的比热容之和料的物质的比热容之和 c = gici式中，式中， g gi i：材料中第材料中第i i种组成的重量百分数，种组成的重量百分数， c ci i：材料中第材料中第i i种组成的比热容种组成的比热容。热膨胀热膨胀物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象不同物质的热膨胀特性是不同的，有的物质不同物质的热膨胀特性是不同的，有的物质随温度变化有较大的体积变化，而另一些物随温度变化有较大的体积变化，而另一些物质则相反。即使是同一种物质，由于晶体结质则相反。即使是同一种物质

9、，由于晶体结构不同，也将有不同的热膨胀性能。构不同，也将有不同的热膨胀性能。热膨胀系数热膨胀系数 l线膨胀系数：线膨胀系数： l体膨胀系数：体膨胀系数：Tlll0TVVV0lv3l线膨胀系数与体膨胀系数的关系线膨胀系数与体膨胀系数的关系: :l:温度升高温度升高1K时，物体的相对伸长时，物体的相对伸长实际上，固体材料的实际上，固体材料的l值并不是一个常数，值并不是一个常数，而是随着温度稍有变化，在工业上，一般用而是随着温度稍有变化，在工业上，一般用平均线膨胀系数表示材料的热膨胀特性。假平均线膨胀系数表示材料的热膨胀特性。假定试样在温度定试样在温度T0时的长度为时的长度为l0，升高到温度，升高到

10、温度T，长度变为长度变为l，则试样在，则试样在T0T范围内的平均线范围内的平均线膨胀系数定义为：膨胀系数定义为：TllTTllll00001)()(1热膨胀和其它性能的关系热膨胀和其它性能的关系1. 热膨胀与热容的关系热膨胀与热容的关系0VVCK V03VlCK V：格林爱森：格林爱森常数，常数，1.52.5 热膨胀和其它性能的关系热膨胀和其它性能的关系2热膨胀和结合能、熔点的关系热膨胀和结合能、熔点的关系3热膨胀和结构的关系热膨胀和结构的关系石英晶体膨胀系数石英晶体膨胀系数: : 1210-6/K，石英玻璃的膨胀系数石英玻璃的膨胀系数: 0.510-6/K。 热膨胀和其它性能的关系热膨胀和其

11、它性能的关系4热膨胀随温度不同而不同热膨胀随温度不同而不同一般随温度升高热膨胀系数增大。一般随温度升高热膨胀系数增大。5. 材料的热膨胀直接与热稳定性有关材料的热膨胀直接与热稳定性有关一般，线膨胀系数小的，热稳定性就好。一般，线膨胀系数小的，热稳定性就好。Si3N4的的l=2.710-6/K，在陶瓷材料中是偏，在陶瓷材料中是偏低的，因此，热稳定性也好。低的，因此，热稳定性也好。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 测定无机非金属材料热膨胀系数常用：测定无机非金属材料热膨胀系数常用： 千分表式膨胀仪、千分表式膨胀仪、 杠杆式式膨胀仪杠杆式式膨胀仪 光干涉膨胀仪等光

12、干涉膨胀仪等 热膨胀系数的检测热膨胀系数的检测 根据试样的伸长量就可计算出线膨胀系数。根据试样的伸长量就可计算出线膨胀系数。 L/L0= alT 试样规格为直径试样规格为直径3-8mm，长度，长度10-20mm的圆棒。的圆棒。一热传导及导热率一热传导及导热率热传导热传导：温度梯度温度梯度：沿热流方向，每单位长度的温度变化；温沿热流方向，每单位长度的温度变化；温度梯度为矢量，其方向沿热流指向温度升度梯度为矢量，其方向沿热流指向温度升高方向。高方向。当材料一端的温度比另一端高时，热量会从当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端的现象称为热传导。热端自动地传向冷端的现象称为热传导。热

13、流密度热流密度(q)：单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量tSdxdTQ导热系数导热系数的物理意义的物理意义： 单位温度梯度下，单位时间内，通过单位截单位温度梯度下，单位时间内，通过单位截面积的热量。面积的热量。单位为单位为：W.m-1.K-1对稳定传热过程：对稳定传热过程：q=-dT/dx假如是不稳定传热过程，材料体内单位面积上假如是不稳定传热过程，材料体内单位面积上温度随时间的变化率为：温度随时间的变化率为：式中：式中：为密度，为密度，Cp为恒压热容。为恒压热容。22xTctTp金属金属热导率热导率 非金属非金属热导率热导率气体气体热导率热导率铝

14、铝205石棉石棉0.084空气空气0.024黄铜黄铜109混凝土混凝土0.837氢气氢气0.138铜铜385软木软木0.167氧气氧气0.0234铅铅347玻璃玻璃0.837银银414冰冰1.674钢钢46木材木材0.084不同材料常温下的热导率不同材料常温下的热导率（W.m-1.K-1）固体材料热传导的微观机理固体材料热传导的微观机理对于金属材料，由于有大量自由电子的存在，对于金属材料，由于有大量自由电子的存在，所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一般都具有较大的热导率。般都具有较大的热导率。对于非金属材料，晶格中自由电子极少，对于非金属材料，晶格中自由

15、电子极少，所以晶格振动是它们的主要导热机构。所以晶格振动是它们的主要导热机构。固体中的导热主要是由固体中的导热主要是由晶格振动的格波晶格振动的格波和和自由电子的运动自由电子的运动来实现。来实现。1.温度的影响温度的影响 2.显微结构的影响显微结构的影响 3.化学组成的影响化学组成的影响 4.气孔的影响气孔的影响热导率随温度的变化热导率随温度的变化 很低温度下，很低温度下，近似与近似与T3成比例的变化。成比例的变化。温度升高，平均自由程温度升高，平均自由程l减减小，成了主要影响因素，小，成了主要影响因素，随温度升高而迅速减小，在随温度升高而迅速减小，在某个低温处，某个低温处，出现极大值。出现极大

16、值。在更高的温度，在更高的温度，Cv基本无变基本无变化，化，l值也逐渐趋于下限，所值也逐渐趋于下限，所以随温度的变化，以随温度的变化，又变得缓又变得缓和了。和了。当达到当达到1600K时，由于时，由于辐射传热，辐射传热，又有所升高又有所升高晶体结构愈复杂晶体结构愈复杂，格波受到的散射愈大，声，格波受到的散射愈大，声子的平均自由程子的平均自由程l愈小，愈小，热导率愈低热导率愈低。例如：尖晶石的热导率比例如：尖晶石的热导率比Al2O3和和MgO的热的热导率都低，莫来石的结构更复杂，其热导率导率都低，莫来石的结构更复杂，其热导率比尖晶石还低得多。比尖晶石还低得多。1. 晶体结构的影响晶体结构的影响对

17、于非等轴晶系的晶体，热导率也存在对于非等轴晶系的晶体，热导率也存在着各向异性的性质。着各向异性的性质。例如：石英、金红石、石墨等都是在膨例如：石英、金红石、石墨等都是在膨胀系数低的方向热导率最大。胀系数低的方向热导率最大。温度升高时，不同方向的热导率差异减温度升高时，不同方向的热导率差异减小。这是因为温度升高，晶体的结构总小。这是因为温度升高，晶体的结构总是趋于更好的对称。是趋于更好的对称。2. 各向异性晶体的热导率各向异性晶体的热导率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，多晶体的热导率总对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶小是比单晶小，由于多晶体中晶粒尺寸，

18、由于多晶体中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声于更易受到散射，它的平均自多，声于更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以热导率小。由程小得多，所以热导率小。几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系晶体和非晶体材料的导热系数曲线晶体和非晶体材料的导热系数曲线4. 非晶体的热导率非晶体的热导率不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。一般说来，一般说来，质点的原子量愈小，密度愈小质点的原子量愈小，密度愈小，德拜温度愈高，德拜温度愈高，则热导率愈大则热导率愈大。这样，轻。这样，轻元素

19、的固体和结合能大的固体热导率较大。元素的固体和结合能大的固体热导率较大。这是因为构成晶体的质点的大小、性质不这是因为构成晶体的质点的大小、性质不同，它们的晶格振动状态不同，传导热量同，它们的晶格振动状态不同，传导热量的能力也就不同。的能力也就不同。如：金刚石如：金刚石=1.710-2W/(m.K)硅、锗的热导率分别为硅、锗的热导率分别为1.010-2W/(m.K)和和0.510-2W/(m.K)无机材料常含有一定量的气孔，气孔对热导无机材料常含有一定量的气孔，气孔对热导率的影响是复杂的率的影响是复杂的 一般在温度不是很高，一般在温度不是很高，而且气孔率也不大，又均匀地分散在陶瓷介而且气孔率也不

20、大，又均匀地分散在陶瓷介质时，这样的气孔就可看作为一分散相质时，这样的气孔就可看作为一分散相 因为气孔的热导率很小，与固体的热导率相因为气孔的热导率很小，与固体的热导率相比可近似看作零，因此可得到比可近似看作零，因此可得到s s为固相为固相热导率；热导率；P为气孔的体积分数为气孔的体积分数=s(1-P)对于粉末和纤维材料其热导率比烧结对于粉末和纤维材料其热导率比烧结状态时又低得多，这是因为气孔形成了状态时又低得多，这是因为气孔形成了连续相，因此材料的热导率就在很大程连续相，因此材料的热导率就在很大程度上受气孔相的热导率所影响。这也是度上受气孔相的热导率所影响。这也是通常粉末、多孔和纤维类材料有

21、良好的通常粉末、多孔和纤维类材料有良好的热绝缘性能的原因。热绝缘性能的原因。 定义定义 材料承受温度的急剧变化而不致破坏材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。的能力，所以又称为抗热震性。 抗热冲击断裂性抗热冲击断裂性 材料抵抗瞬时断裂的能力材料抵抗瞬时断裂的能力 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、剥落热损伤可导致材料的表面开裂、剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能称为破坏的性能称为抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性。材料是否出现热应力断裂，固然与热应力材料是否出现热应力断裂，固然与热应力maxmax密切相

22、关，但还要考虑如下因素密切相关，但还要考虑如下因素: :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、均匀性如塑性、均匀性) )原先存在的裂纹、缺陷原先存在的裂纹、缺陷热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热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问题，因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般有如下规律应力，一般有如下规律: : 热导率越高，传热越快，热应力持续一定时间热导率越高，传热越快，热应力持续一定时间后很快缓解，有利于热稳定后很快缓解，有利于热稳定; ; 传热途径传热途径( (通道通道) )短，易使材料

23、中的温度均匀短，易使材料中的温度均匀; ; 表面散热速率。该速率大，内外温差就大，表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 热应力就高，热应力就高， 就越不利于热稳定性就越不利于热稳定性。表面热传递系数表面热传递系数h材料表面温度比周围环境材料表面温度比周围环境温度高温度高1K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。 这些材料在热冲击下产生裂纹时，即使裂这些材料在热冲击下产生裂纹时，即使裂纹是从表面开始，在裂纹的瞬时扩张过程中也纹是从表面开始，在裂纹的瞬时扩张过程中也可能被微孔、晶界或金属相所阻止，而不致引可能被微孔、晶界或金属相所阻止，而不致引起材料的完全断裂。起材料的完

24、全断裂。 比如在一些筑炉用的耐火砖中，往往含有比如在一些筑炉用的耐火砖中，往往含有10-20气孔率时反而具有最好的抗热冲击损伤气孔率时反而具有最好的抗热冲击损伤性，而气孔的存在是会降低材料的强度和热导性，而气孔的存在是会降低材料的强度和热导率的。因此，率的。因此，R和和R值都要减小。这一现象按值都要减小。这一现象按强度强度-应力理论就不能解释。应力理论就不能解释。 实际上，凡是以热冲击损伤为主的热冲击实际上，凡是以热冲击损伤为主的热冲击破坏都是如此。破坏都是如此。1. 提高应力强度提高应力强度，减小弹性模量减小弹性模量E 2. 提高材料的热导率提高材料的热导率3. 减小材料的膨胀系数减小材料的膨胀系数 4. 减少材料表面热传递系数减少材料表面热传递系数5. 减小产品的有效厚度减小产品的有效厚度