材料的热学性能课件.ppt

第二章材料的热学性能,材料在使用过程中，将对环境温度作出响应，表现出不同的热学性能，包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性等。,主要内容,热学性能的物理基础材料的热容材料的热膨胀材料的热传导材料的热稳定性,材料的各种热学性能均与晶格热振动有关。,1、晶格热振动：晶体点阵中的质点（原子或离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，称之晶体热振动。,2.1热学性能的物理基础,温度体现了晶格热振动的剧烈程度，相同条件下，晶格振动越剧烈，温度越高。,振动在晶体中的传播波,、格波,材料中所有质点的晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种存在于晶格中的波叫做格波。格波是多频率振动的组合波。,3、声频支振动如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此间的位相差不大，称为声频支振动。声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向。,4、光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，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。光频支是不同原子相对振动引起的。若晶格中有N个分子，每个分子中有n个不同的原子，则该晶体中有N(n-1)个光频波。,图2-1一维双原点阵中的格波(a)声频支；(b)光频支,晶格振动的能量及声子的概念,a)量子理论的回顾,某一质点的能量为：,（n为量子数）,普朗克常数记为h，是一个物理常数，用以描述量子大小。在量子力学中占有重要的角色，马克斯普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v为辐射电磁波的频率，h为一常量，叫为普朗克常数。,普朗克常数的值约为：h=6.626069310-34Js,格波的能量同样也是量子化的，我们把声频支格波的量子（最小能量单位）叫声子。把格波的传播看成是声子的运动，就可以把格波与物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞，把格波在晶体中传播时遇到的散射看作是声子同晶体中质点的碰撞，把理想晶体中热阻（表征材料对热传导的阻隔能力）归结为声子-声子的碰撞。,材料从周围环境中吸收热量，晶格热振动加剧，温度升高。热容体现了材料从周围环境中吸收热量的能力。,2.1材料的热容,2.2.1热容的基本概念热容（heat/thermalcapacity）定义：热容是使材料温度升高1k所需的能量，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。,量纲：J/K。不同温度下，热容不同。,平均热容：是指物质从T1温度到T2温度所吸收的热量的平均值。,（较粗略，应用时要特别注意温度范围。）,（1）热容是物系的容量性质，与物质的量有关：比热：单位质量的热容，J.K-1.Kg-1。摩尔热容：1mol物质的热容，J.K-1.mol-1。,（2）热容是一个过程量，与热过程有关：,一般CpCv，Cp测定简单，Cv更有理论意义。,对于凝聚物系CpCv，但高温时，相差较大。,Cv=3R25J.K-1.mol-1,2.2.2晶态固体热容的有关定律,(1)经验定律与经典定律a、元素热容定律-杜隆-珀替定律：在室温和高温下，大多数元素的原子热容为25J.K-1.mol-1（即为3R),成功之处：高温下与试验结果基本符合。对于轻元素的原子热容需改用如下数值：,b、化合物定律-柯普（Kopp）定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。即c=nici则在高温时化合物摩尔热容，Cv25nJ.K-1.mol-1如：NaCl，n=2；BaCl2，n=3。,杜隆-珀替定律局限性：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T的三次方趋近与零的试验结果。,c、经典热容理论-均分原理固体中每一个原子能独立地在三个垂直方向上振动，且每一个振动在任意瞬间都有与之相关的位能和动能。一个给定原子的瞬间能量需要用三个相互垂直的坐标系来描述。若采用一个速度和一个位置坐标系，则总共六个独立参数，每个原子的平均热能为6(kT/2)，故此固体的总热能为3nkT，(n为原子数目)，或3NAkTJ/mol，(NA为每摩尔的原子数目)，故摩尔热容为（根据热容定义）：Cv=3NAk=3R25J.K-1.mol-1R=8.314J/K.mol,k-玻尔兹曼常数.此热容不取决于振子的与m，也与温度无关。这就是杜隆-珀替定律。,爱因斯坦模型近似该模型假定：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,爱因斯坦比热函数，选取适当的，可使理论上的Cv与实验的吻合。,（2）晶态固体热容的量子理论与德拜(Debye)T3回顾,令,e称为爱因斯坦温度讨论:(1)当温度很高时TE，则有此即经典的杜隆-珀替公式。也就是说，量子理论所导出的热容值如按爱因斯坦的简化模型计算，在高温时与经典公式一致。,(2)当T趋于零时,Cv逐渐减小;当T=0时,Cv=0,这都是爱因斯坦模型与实验相符之处;(3)但在低温时，爱因斯坦模型中，Cv与温度呈指数律变化;,与实验得出按T3变化规律仍有偏差。,德拜（Debye）模型近似（德拜T3定律）,德拜模型认为：晶体对热容的贡献主要是弹性波的振动，即较长的声频支在低温下的振动。,D-德拜特征温度,-德拜比热函数,当温度较高时，TD，Cv=3Nk=3R(J.K-1.mol-1);当温度较低时，Ta2，使平衡位置处的最大速度Vmax减小为零所需的时间t1辐射,辐射能的传递能力：r=16/3n2T3lr：斯蒂芬-波尔兹曼常数（5.6710-8W/(m2K4)；n：折射率；lr：光子的平均自由程。,（1）对于辐射线是透明的介质，热阻小，lr较大；如：单晶、玻璃，在773-1273K辐射传热已很明显；（2）对于辐射线是不透明的介质，热阻大，lr很小；大多数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下辐射明显；（3）对于完全不透明的介质，lr=0，辐射传热可以忽略。,决定光子传导的主要因素是光子的自由程。,2.4.3影响热导率的因素,（1）影响金属热导率的因素a)温度的影响,b)晶粒大小的影响一般情况是晶粒粗大，热导率高；晶粒愈小，热导率愈低。（注意和蠕变、结合强度比较！）c)立方晶系的热导率与晶向无关；非立方晶系晶体热导率表现出各向异性。d)杂质将强烈影响热导率。两种金属构成连续无序固溶体时，热导率随溶质组元浓度增加而降低。图2-20Ag-Au合金热导率/（Wcm-1K-1）,（2）影响无机非金属材料热导率的因素,温度的影响,:通常可看作常数;热容cV:在低温时与T3成正比，当TD时，cV趋于恒定值。自由程l:随温度升高而下降，但实验证明其随温度变化有极限值。即低温时，自由程l的上限为晶粒线度；高温时，自由程l的下限为几个晶格间距。,迅速上升区,极大值区,迅速下降区,缓慢下降区,结论对于一般的非金属晶体材料在使用过程中，随温度升高，热导率下降。,线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：晶格偏离谐振程度越大，热阻越大，热传导系数越小。,化学组成的影响,晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多，对声子散射大。,A晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越低。B晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。C同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。(思考:为什么?),显微结构的影响,思考:为何在低温时,单晶与多晶的导热系数相近?,非晶体晶体与非晶体,可以把玻璃看作直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的多晶体。,非晶体的热导率,i)中低温(400600K)主要是声子导热，此时，由于温度升高，热容C也升高，故导热系数也升高。相当于图上的OF段。ii)中温到较高温度(600900K)热容渐变为常数，故导热系数也为常数，相当于图上的Fg段，若考虑光子导热，则为Fg段。iii)高温(900K)，声子导热变化仍不变大，gh段，但光子的平均自由行程增大，光子与T3成比例，从而出现gh段。对不透明材料，光子导热很小，不会出现此段。,晶体与非晶体导热的差别：i)非晶体的导热系数(不计光子导热的贡献)，都比晶体小，非晶；ii)高温时，两者的比较接近，非与晶接近；iii)非晶体导热系数曲线与晶体导热系数曲线的一个重大区别是：没有导热系数的峰值点m，说明非晶体物质的声子平均自由行程在几乎所有温度范围内均接近常数。,无机材料的导热系数介于晶体与非晶体之间，可能有三种情况：i)当材料中所含的晶相比非晶相多时，在一般温度下，随温度的升高而有所降低，在高温下，不随温度变化。ii)当材料中含有较多的玻璃相时，则随温度的升高而升高。iii)晶相与非晶相为某一适当比例时，可在相当大的温度范围中基本上保持常数。,复相陶瓷的热导率,层状模型:取决于每一相的热导率和热流方向.陶瓷材料:通常取决于连续相的热导率.,两相材料的相分布模型,层状模型,晶相分散在连续的玻璃相中,气孔的影响,l=ls(1-P),思考？,1、固体热导率的普遍形式？声子平均自由程受哪些因素影响从而影响热导率？2、影响材料热导率的因素？3、晶体和非晶体的导热系数随温度变化规律有何差异？产生该差异的原因（画出-T图）？,2.5材料的热稳定性,一热稳定性的提出现象：,瓷胆暖瓶在温度发生急剧变化时，碎裂。,讨论：如果是不锈钢暖瓶（或者塑料壶），会不会碎裂？,热稳定性（抗热震性）：材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。,温度急剧变化时瓷为什么易碎呢？,瓷本身易碎！孩子吃饭用瓷碗吗？不用！用不锈钢碗或塑料碗！,瓷的力学性能决定的！脆抵抗形变的能力差！,应力,断裂条件,热学性能和力学性能有联系？有联系！怎么联系？,应力,热胀冷缩,热胀冷缩一定产生应力？否！,热胀冷缩建立了热学性能和力学性能的联系,热胀冷缩受到约束才会产生应力热应力！,热应力：由于温度变化而产生的应力。,约束,构件整体受约束,构件局部温度不均受约束,瓷胆暖瓶在温度发生急剧变化时，碎裂。,过程总结温度急剧变化时，材料的热胀冷缩受到约束产生热应力，当热应力超过材料的力学强度时，材料发生断裂。,热应力怎么计算？,T0,T,L,1)根据热膨胀定义,温度为T0，杆件不受力时长度为L，温度升为T，杆件不受力时长度为L+L,F,2)温度为T时，施加压力使长度由L+L缩短为L，则根据胡克定律：,杆件应力：,T,T0,L,L,3)温度为T0时，杆件两端固定，当温度升为T时，杆件所受内应力等于温度为T时由L+L压短为L时所受力：,T,各向同性的薄板的热应力计算,当温度变化（T）时，有：,（不允许x方向涨缩）,（不允许z方向涨缩）,解得：,当温差升高到使材料的内应力达到强度极限时，材料会断裂，此时的温差是材料能承受的最大温差。,对于非薄板材料：,S-形状因子,2.5.3抗热冲击断裂性能1）第一热应力断裂抵抗因子只要材料中最大热应力值max(一般在表面或中心部位），不超过材料的强度极限f，材料就不会破坏。显然，Tmax越大，则材料的热稳定性越好。故定义：为第一热应力断裂抵抗因子。,在材料的实际应用中，最大温差产生的实际应力比按照式（2-57）计算的最大应力max,lilun滞后发生，且数值也大为折减。定义无因次应力：*=/max,lilun则实际应力=*max,lilun式中:*:无因次应力;:折减后的实际应力;max,lilun:最大温差按照式（2-57）计算的理论最大应力。,当温差升高到使材料的实际内应力达到强度极限时，材料会断裂，则有,将式(2-57)代入上式，有,例：如果材料的断裂强度为130GPa，对材料施加热冲击的温差为50时，按照式(2-57)计算，产生的内应力为130GPa。若实际应力比按式(2-57)计算的应力值小，分别计算如下情况材料产生断裂的最大温差。1)实际应力是按式(2-57)计算的应力值的1/2，1/3,1/4？2)实际应力是按式(2-57)计算的应力值的*倍？,思考：如果材料的断裂强度为f，对材料施加热冲击的温差为时，按照式(2-57)计算，产生的内应力为f。若实际应力比按式(2-57)计算的应力值f小，是其*倍，在此情况下，材料产生断裂的最大温差是多少？,(2)决定无因次应力*的因素第二热应力断裂抵抗因子R,i)材料的热导率：热导率越高，传热越快，有利于热稳定;ii)传热途径：薄的材料传热途径短，易使温度均匀快。传热途径(通道)短，易使材料中的温度均匀;iii)表面散热速率。该速率大，内外温差就大，热应力就高，就越不利于热稳定性。表面热传递系数h：材料表面温度比周围环境温度高1K时在单位面积单位时间带走的热量。,定义-毕奥模数：=hrm/，式中:毕奥模数;h:表面热传导系数;rm:材料的半厚。,S.S.Manson发现:,定义：,为第二热应力断裂抵抗因子。,(3）第三热应力断裂抵抗因子R关心的是材料所允许的最大冷却(加热)速率(dT/dt)。对于无限大的平板，降温过程中，内外温度的变