1、第二章材料的熱特性、材料在使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境溫度做出反應(yīng)，顯示了不同的熱性能，例如熱容量、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性等。主要內(nèi)容，熱性能物理基本材料的熱容量材料的熱脹材料的導(dǎo)熱材料的熱穩(wěn)定性，材料的各種熱性能與晶格熱振動(dòng)有關(guān)。1，晶格熱振動(dòng)：晶體晶格中的粒子(原子或離子)總是圍繞平衡位置進(jìn)行微振動(dòng)，這稱為晶體熱振動(dòng)。2.1熱性能的物理基礎(chǔ)，溫度反映了晶格熱振動(dòng)的急劇程度。在相同條件下，晶格振動(dòng)越強(qiáng)，溫度越高。晶體波，2，晶格，材料中所有粒子的晶格振動(dòng)以彈性波的形式在整個(gè)材料中傳播。存在于晶格中的這種波稱為晶格波。柵格是多頻振動(dòng)的組合波。3，頻率分支振動(dòng)如果振動(dòng)的粒子包含極低頻的晶格，則粒子之間的位

2、置差異不大，這稱為頻率分支振動(dòng)。音頻分支可以認(rèn)為相鄰原子具有相同的振動(dòng)方向。4，光州波數(shù)分支振動(dòng)：晶格波中頻率很高的振動(dòng)波，粒子之間的位置差異很大。當(dāng)相鄰粒子的運(yùn)動(dòng)幾乎相反時(shí)，頻率經(jīng)常在紅外線區(qū)，稱為光頻波分支振動(dòng)。光頻分支是由其他原子的相對(duì)振動(dòng)引起的。如果晶格中有N個(gè)分子，每個(gè)分子中有N個(gè)不同的原子，那么晶體中就有N(n-1)個(gè)光波導(dǎo)。圖2-1一維雙遠(yuǎn)程端的光柵(a)音頻分支；(b)光周期波數(shù)分支，晶格振動(dòng)的能量和聲子的概念，a)量子理論的回顧，粒子的能量以(n為量子數(shù))，普朗克常數(shù)以h記錄，是描述量子大小的物理常數(shù)。馬克斯普朗克在量子力學(xué)中起著重要作用，他在1900年研究物體的熱輻射定律時(shí)

3、，發(fā)現(xiàn)，只有假設(shè)電磁波的發(fā)射和吸收不連續(xù)，并且一一進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果才能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這種能量的一份稱為能量子，每種能量源等于HV，v是發(fā)射電磁波的頻率，h是常數(shù)，稱為普朗克常數(shù)。普朗克常量的值大約為h=6.6260609310-34js，其波的能量也是量子化的。我們把聲音分支晶格的量子(最小能量單位)傳呼機(jī)。如果將晶格傳播的傳播視為聲子運(yùn)動(dòng)，則可以將晶格與物質(zhì)的相互作用歸結(jié)為聲子與物質(zhì)的碰撞，將晶格波在晶體中傳播時(shí)遇到的散射看作聲子等晶體的粒子碰撞，并將理想晶體的熱阻(材料對(duì)熱導(dǎo)率的阻隔能力表征)歸納為聲子-聲子碰撞。當(dāng)材料從周?chē)h(huán)境中吸收熱量時(shí)，晶格熱振動(dòng)加劇，溫度升高。熱容量反映了材料從周

4、圍環(huán)境中吸收熱量的能力。2.1材料的熱容量，2.2.1熱容量的基本概念熱容量定義：熱容量是將材料溫度升高1k所需的能量，反映了材料在周?chē)h(huán)境中吸收熱量的能力。尺寸：J/K。熱容量取決于溫度。平均熱容量：物質(zhì)從T1溫度吸收到T2溫度的熱量平均值。(粗糙，應(yīng)用應(yīng)特別注意溫度范圍。)，(1)熱容量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的熱容量，J.K-1。與Kg-1相關(guān)的系統(tǒng)的容量屬性。摩爾熱容量：1毫升物質(zhì)的熱容量，J.K-1.mol-1。(2)熱容量是與熱過(guò)程相關(guān)的過(guò)程量，一般Cp Cv、Cp測(cè)量很簡(jiǎn)單，Cv具有更理論的意義。對(duì)于冷凝物質(zhì)系統(tǒng)CpCv，但在高溫下存在很大差異。Cv=3R25 J . K-1 . mol-1，

5、2.2.2結(jié)晶固體熱容量的相關(guān)定律，(1)經(jīng)驗(yàn)法和經(jīng)典定律a，元素?zé)崛萘慷?杜隆-珀定律：在室內(nèi)溫度和高溫下，大多數(shù)元素的原子熱容量為25J .對(duì)于輕元素的原子熱容量，b，化合物的定律-Kopp的定律：化合物的分子熱容量等于構(gòu)成此化合物每個(gè)元素的原子的熱容量之和。也就是說(shuō)，c=ni ci在高溫下具有化合物摩爾熱容量，Cv25n J . K-1 . mol-1(例如，NaCl，n=2；BaCl2，n=3。，杜倫-珀氏定律的限制：在低溫下，熱容量隨溫度下降而減少，接近絕對(duì)零時(shí)，熱容量接近t的三次方法和0的測(cè)試結(jié)果。c，經(jīng)典熱容量理論平衡原理固體中的每個(gè)原子能獨(dú)立地在三個(gè)垂直方向振動(dòng)，每個(gè)振動(dòng)在任

6、何時(shí)刻都有相關(guān)的位置能量和動(dòng)能。給定原子的瞬時(shí)能量應(yīng)該描述為相互垂直的三個(gè)坐標(biāo)系。使用速度和位置坐標(biāo)系時(shí)，每個(gè)原子的平均列為6(kT/2)，共6個(gè)單獨(dú)的參數(shù)，因此固體的總列為3nkT (n等于原子數(shù))或3NAkT J/mol (NA等于每個(gè)摩爾的原子數(shù))，因此摩爾熱容量(根據(jù)熱容量定義)。cv=3 nak=3r此熱容量不取決于振蕩器的和m，這是杜倫-珀蒂定律。愛(ài)因斯坦模型假定每個(gè)振動(dòng)子是獨(dú)立的振蕩器，原子彼此沒(méi)有關(guān)系，每個(gè)振動(dòng)子振動(dòng)的每個(gè)頻率都相同，如果選擇愛(ài)因斯坦的比熱函數(shù)，合適的，理論上的Cv就可以與實(shí)驗(yàn)相匹配。討論愛(ài)因斯坦溫度： (1)溫度高時(shí)，有結(jié)晶固體熱容量的量子理論和debye (

7、Debye)T3討論，經(jīng)典的dulong-perot替代公式。也就是說(shuō)，從量子理論導(dǎo)出的熱容量值是根據(jù)愛(ài)因斯坦的簡(jiǎn)化模型計(jì)算的，與高溫下的經(jīng)典公式一致。(2) t等于0時(shí)，Cv逐漸減少。當(dāng)T=0時(shí)，Cv=0表示愛(ài)因斯坦模型與實(shí)驗(yàn)相匹配。(3)但是在低溫下，愛(ài)因斯坦模型中的Cv和溫度呈指數(shù)變化。根據(jù)T3的變化規(guī)律，還存在偏差的實(shí)驗(yàn)。德拜模型近似值，德拜模型認(rèn)為晶體對(duì)熱容量的貢獻(xiàn)主要是彈性波的振動(dòng)，即低溫下較長(zhǎng)頻段的振動(dòng)。D- debye特征溫度，-debai比熱函數(shù)，溫度高則T D，Cv=3Nk=3R(J . K-1 . mol-1)；溫度低時(shí)，t輻射，輻射能傳遞容量： r=16/3 N2 T3

8、 lr:斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)(5.6710-8w/(m2k 4)；n:折射率；Lr:光子的平均自由路徑。(1)如果輻射線是透明介質(zhì)，則熱阻小，lr大。773-1273 k的單晶、玻璃、輻射傳熱明顯。(2)輻射線對(duì)不透明介質(zhì)的熱阻大，lr小；大部分陶瓷，部分耐火材料在1773K高溫下輻射；(3)對(duì)于完全不透明的介質(zhì)，lr=0，輻射傳熱可以忽略。決定光子傳導(dǎo)的主要因素是光子的自由路徑。2.4.3影響熱導(dǎo)率的因素，(1)影響金屬熱導(dǎo)率的因素a)溫度的影響，b)粒子大小的影響一般為粗糙模和高熱導(dǎo)率；粒子越小，熱導(dǎo)率越低。(注意和蠕變，結(jié)合強(qiáng)度比較！c)立方晶體的熱導(dǎo)率與晶體方向無(wú)關(guān)。非立方晶界晶體的熱導(dǎo)

9、率表現(xiàn)出各向異性。d)雜質(zhì)對(duì)熱導(dǎo)率有很大影響。如果兩種金屬構(gòu)成連續(xù)無(wú)序的固溶體，熱導(dǎo)率會(huì)隨著溶質(zhì)成分濃度的增加而減少。圖2-20 Ag-Au合金的熱導(dǎo)率/(Wcm-1K-1)，(2)影響無(wú)機(jī)非金屬材料熱導(dǎo)率的因素，溫度的影響，一般可以看作常數(shù)；熱容量cV:在低溫下與T3成正比，在td下，cV傾向于保持不變。自由路徑l:隨溫度的增加而減少，但是實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的變化，存在極限值。換句話說(shuō)，在低溫下，自由路徑l的上限是粒子線大小。高溫下自由路徑l的下限是多個(gè)晶格間距?？焖偕仙齾^(qū)、最大值區(qū)、快速下降區(qū)、緩慢下降區(qū)是典型非金屬結(jié)晶材料的結(jié)論，在使用過(guò)程中溫度升高，熱導(dǎo)率降低。討論：帶氣孔的耐火材料為

10、什么溫度升高時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)略有增加？小粒度，晶界，很多缺陷，晶界雜質(zhì)，大聲子散射。a晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動(dòng)偏離非線性的程度越低，熱導(dǎo)率越低。b晶體方向和熱傳導(dǎo)率不同。例如，石墨，BN是分層結(jié)構(gòu)，層內(nèi)部比層間(層之間)大4倍，在空間技術(shù)中用于屏蔽材質(zhì)。c同一物質(zhì)多晶的熱導(dǎo)率比統(tǒng)一信息總是小。為什么想：考慮微結(jié)構(gòu)的影響：在低溫下單晶體和多晶的熱導(dǎo)率相似的原因。非晶晶體和非晶質(zhì)可以將玻璃看作是由直徑為多個(gè)晶格間距的非常細(xì)的粒子組成的多晶。非晶質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，I)中低溫(400 600 k)主要是聲子熱導(dǎo)率，此時(shí)溫度升高，熱容c也會(huì)升高，因此導(dǎo)熱系數(shù)增加。對(duì)應(yīng)于圖形的OF區(qū)段。Ii)熱容量梯度從室溫到更高

11、的溫度(600900K)是常數(shù)，因此導(dǎo)熱系數(shù)圖的Fg段，如果考慮光子的導(dǎo)熱系數(shù)，則為Fg段的常數(shù)。Iii)高溫(900K)，聲子熱變化仍是大GH段，但光子的平均自由移動(dòng)增加，光子與T3成比例地產(chǎn)生GH段。對(duì)于不透明材料，光子的熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，因此不會(huì)顯示此區(qū)段。晶體和非晶熱導(dǎo)率的差異：I)非晶質(zhì)的熱導(dǎo)率比晶體小，與光子的熱導(dǎo)率無(wú)關(guān)，非晶體；Ii)在高溫下，兩者的比較接近，比接近晶體。Iii)非晶導(dǎo)熱系數(shù)曲線和晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線的重要區(qū)別在于，沒(méi)有熱導(dǎo)率的最高點(diǎn)m是非晶材料的聲子平均自由移動(dòng)幾乎在所有溫度范圍內(nèi)接近常數(shù)。無(wú)機(jī)物質(zhì)的熱導(dǎo)率可以有晶體和非晶質(zhì)之間的三種情況。I)物質(zhì)中包含的晶體比非晶相

12、長(zhǎng)，在一般溫度下隨溫度升高而減少，在高溫下不隨溫度變化。Ii)如果材料含有更多的玻璃相，會(huì)隨著溫度的升高而增加。Iii)晶相和非晶相為適當(dāng)比例時(shí)，在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)基本上可以保持常數(shù)。在線性簡(jiǎn)單共振中，熱阻很少，熱阻是由非線性振動(dòng)引起的。也就是說(shuō)，晶格偏差共振程度越大，熱阻越大，熱傳導(dǎo)系數(shù)越小?；瘜W(xué)成分的影響，多相陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)，分層模型：取決于各相熱導(dǎo)率和熱流方向。陶瓷材料：一般取決于連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù)。兩相材料的相分布模型、層狀模型、晶相在連續(xù)玻璃上分布、氣孔的影響、事故？1，固體熱導(dǎo)率的一般形式？聲子的平均自由路徑是什么影響熱導(dǎo)率的因素？2、影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素？3、晶體和非晶質(zhì)的熱導(dǎo)率

13、隨溫度有什么不同？這種差異的原因(繪制-T圖)？2.5材料的熱穩(wěn)定性，熱穩(wěn)定性建議現(xiàn)象：陶瓷容器熱水瓶溫度急劇變化，分裂。討論：不銹鋼保溫瓶(或塑料水壺)會(huì)不會(huì)碎裂？熱穩(wěn)定性(抗熱沖擊性):材料經(jīng)受溫度急劇變化且不受損的能力。溫度急劇變化的時(shí)候，陶瓷為什么容易破碎？瓷器本身很易碎！孩子吃飯碗嗎？不！用不銹鋼碗或塑料碗！是由陶瓷的機(jī)械性能決定的！脆性變形能力不足！彈性變形應(yīng)力，破壞條件，熱和機(jī)械性質(zhì)？有關(guān)聯(lián)！怎么聯(lián)系？彈性變形應(yīng)力、熱膨脹和收縮、熱膨脹和冷卻收縮會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力嗎？不！熱膨脹和收縮建立了熱性能和機(jī)械性能之間的關(guān)系，只有熱脹和收縮受到約束，才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力熱應(yīng)力！熱應(yīng)力：溫度變化引起的應(yīng)力。

14、約束，組件完全約束，組件局部溫度不受約束，陶瓷容器熱水瓶溫度急劇變化時(shí)碎裂。如果工藝概要溫度急劇變化，則材料的熱膨脹和冷收縮會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)斷裂。如何計(jì)算熱應(yīng)力？T0，T ，l，1)根據(jù)熱膨脹定義，溫度為T(mén)0，構(gòu)件沒(méi)有力時(shí)長(zhǎng)度為l，溫度上升到T ，構(gòu)件沒(méi)有力時(shí)長(zhǎng)度為l l，f，2)溫度為T(mén) 時(shí)長(zhǎng)度從l l減少到l 上升到T 時(shí)，構(gòu)件的內(nèi)部應(yīng)力為：溫度為T(mén) 時(shí)從l l壓力短到l時(shí)受到的力：T ，各向同性薄板的熱應(yīng)力計(jì)算，溫度變化( t)時(shí)的范例：(不允許x方向上升)，(不允許z方向上升) 此時(shí)溫差是材料能承受的最大溫差。S形系數(shù)，2.5.3抗熱沖擊破壞特性1)第

15、一熱應(yīng)力破壞阻力材料的最大熱應(yīng)力值max(通常位于表面或中心部分)不超過(guò)材料的強(qiáng)度極限f，否則材料不會(huì)受到損壞。顯然Tmax越大，材料的熱穩(wěn)定性越高。因此，定義：第一個(gè)熱應(yīng)力破壞阻力。在材料的實(shí)際應(yīng)用中，最大溫差產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力比發(fā)生max，theory滯后，根據(jù)表達(dá)式(2-57)計(jì)算出的最大應(yīng)力，數(shù)值也大大減少。無(wú)應(yīng)力定義：*=/max，theory實(shí)際應(yīng)力=* max，theory風(fēng)格的：*:無(wú)二次應(yīng)力；:減少后的實(shí)際應(yīng)力；max，根據(jù)lilun:最大溫差公式(2-57)得出的理論最大應(yīng)力。如果溫差增大，直至材料的實(shí)際內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度限制，例如材料的中斷強(qiáng)度為130GPa，材料加熱沖擊的溫差

16、為50 ，則根據(jù)表達(dá)式(2-57)計(jì)算的內(nèi)部應(yīng)力為130GPa。如果實(shí)際應(yīng)力小于通過(guò)表達(dá)式(2-57)計(jì)算出的應(yīng)力值，則計(jì)算材料斷裂發(fā)生的最大溫差，如下所示：1)實(shí)際應(yīng)力是通過(guò)表達(dá)式(2-57)計(jì)算的應(yīng)力值的1/2，1/3，1/4？2)實(shí)際應(yīng)力是通過(guò)表達(dá)式(2-57)計(jì)算的應(yīng)力值的 *倍？思考：如果材料的斷裂強(qiáng)度為f，材料加熱沖擊應(yīng)用的溫差為，則根據(jù)公式(2-57)計(jì)算的內(nèi)部應(yīng)力為f。實(shí)際應(yīng)力小于基準(zhǔn)(2-57)計(jì)算的應(yīng)力值f， *倍。在這種情況下，材料生成斷裂的最大溫差是多少？(2)確定無(wú)應(yīng)力 *的因素第二熱應(yīng)力斷裂阻力系數(shù)r 75;K5;32;i)材料的熱導(dǎo)率：熱導(dǎo)率越高，熱Ii)傳熱路徑：薄材料傳熱路徑短，容易產(chǎn)生均勻快速的溫度。傳熱路徑(通道)短，容易使材料的溫度均勻。Iii)表面冷卻速度。這個(gè)速度大，內(nèi)部和外部溫差大，熱應(yīng)力高，對(duì)熱穩(wěn)定性不利。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h:材料的表面溫度比環(huán)境環(huán)境溫度高1K時(shí)單位面積單位時(shí)間取的熱量。-bio模塊定義：=h rm/，格式：: bio模塊；H:表面熱傳導(dǎo)系數(shù)