无机非金属材料导论-第2章材料的热学性能_材料物理(1)

1、第2章 无机金属材料的性能 2.1 2.1 热学性能热学性能 2.2 2.2 力学性能力学性能 2.3 2.3 其他物理和化学性能其他物理和化学性能 n材料的性能包括：使用性能和工艺性能。n使用性能：材料在使用条件下表现出的性能，如力学、热学、电学等性能以及由各种物理效应显示出的功能性等。n工艺性能：材料在加工制造过程中表现出的性能。2.1 2.1 热学性能热学性能热容热容热膨胀热膨胀热传热传导导热稳定性热稳定性升华升华熔化熔化晶体点阵中各质点（原子、离子）晶体点阵中各质点（原子、离子）围绕着平衡位置的微小振动。围绕着平衡位置的微小振动。弹性波（弹性波（ 格波）格波）：晶格振动以弹：晶格振动以

2、弹性波的形式在材料中传播，弹性性波的形式在材料中传播，弹性波是多频率振动的组合波。波是多频率振动的组合波。晶格热振动晶格热振动晶胞中不同种类的原子具有独立的振动频率，即是它们的振动频晶胞中不同种类的原子具有独立的振动频率，即是它们的振动频率与晶胞的振动频率相同，由于原子的质量不同，振幅也不相同，率与晶胞的振动频率相同，由于原子的质量不同，振幅也不相同，所以原子间会有相对运动。所以原子间会有相对运动。振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不大，格波类似于弹性体中的应变波，称的位相差不大，格波类似于弹性体中的应变波，称为为“声频支振动声频支

3、振动”。相邻原子具有相同的振动方向。相邻原子具有相同的振动方向。振动的质点中包含频率甚高的格波时，质点彼此间振动的质点中包含频率甚高的格波时，质点彼此间的位相差很大，的位相差很大，临近质点的运动几乎相反，临近质点的运动几乎相反，频率往频率往往在红外光区，称为往在红外光区，称为“光频支振动光频支振动”。声频支振动声频支振动光频支振动光频支振动2.1.1 2.1.1 无机材料的热容无机材料的热容一、热容一、热容二、热容的经验定律与经典理论二、热容的经验定律与经典理论三、热容的其它理论三、热容的其它理论四、无机材料的热容四、无机材料的热容1. 概念概念【J/K】一、热容一、热容热容热容是质点热运动的

4、的能量随温度变化的一个物理量，是物是质点热运动的的能量随温度变化的一个物理量，是物体温度升高体温度升高1K所需要增加的热量。温度不同，物体的热容不所需要增加的热量。温度不同，物体的热容不一定相同。温度为一定相同。温度为T时，物体的热容为：时，物体的热容为：2. 比热容与摩尔热容比热容与摩尔热容将将1g质量的物体温度升高质量的物体温度升高1K所需要增加的热量称所需要增加的热量称为物质的为物质的比热容比热容，简称，简称比热比热。1mol物质的热容，称为物质的热容，称为摩尔热容摩尔热容。【J/Kg】【J/Kmol】TtTQC物质的热容与其热过程有关：物质的热容与其热过程有关：pppvvvQHC()(

5、)TTQEC()()TT恒压热容：恒容热容：Q：热量：热量 E：内能：内能 H：焓：焓pvCC物质从温度物质从温度T T1 1到到T T2 2所吸收的热量的平均值所吸收的热量的平均值工程应用中应注意适用温度范围工程应用中应注意适用温度范围3. 平均热容平均热容12TTQC4. 恒压热容与恒容热容恒压热容与恒容热容压力恒定体积恒定根据热力学第二定律可以导出：根据热力学第二定律可以导出：20pvV TCC ：体膨胀系数：体膨胀系数V0：摩尔容积：摩尔容积 ：压缩系数：压缩系数()dV=VdT()dV=-Vdp对于物质的凝聚态，对于物质的凝聚态，Cp、Cv相差很小，但高温时相差很小，但高温时有较大的

6、差别。有较大的差别。v3vICTIICTIII区：区：区：逐渐过渡为平缓上升的直线在极低或极高温度下，自由电子对热容的贡献变得突出。在极低或极高温度下，自由电子对热容的贡献变得突出。（1）元素的热容定律）元素的热容定律(杜隆珀替杜隆珀替( DulongPetit )定律定律)： 恒压下，元素的原子热容为恒压下，元素的原子热容为25J/(Kmol) 元素元素HBCOFSiPSClCpJ/(Kmol)9.611.37.516.720.915.922.522.520.4轻元素例外：轻元素例外：二、二、热容的经验定律与经典理论1.经验定律经验定律实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别是在高温实际

7、上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别是在高温时符合得更好时符合得更好 （2）化合物的热容定律）化合物的热容定律(奈曼考普奈曼考普( NeumannKopp )定律定律)： 化合物的分子热容等于构成此化合物的各元素的原子热容化合物的分子热容等于构成此化合物的各元素的原子热容之和之和C pCC12=+q可应用于多相混合组织、固溶体或化合物，但不适于低温条件可应用于多相混合组织、固溶体或化合物，但不适于低温条件或铁磁性合金。或铁磁性合金。p、q为摩尔百分数为摩尔百分数2.经典热容理论经典热容理论按照经典理论，固体中一个原子在空间有三个振动按照经典理论，固体中一个原子在空间有三个振动自由度，每个自

8、由度上的平均动能和位能均为自由度，每个自由度上的平均动能和位能均为kT/2，模型过于简单，不能解释低温下热容减小的现象。模型过于简单，不能解释低温下热容减小的现象。平均动能和位能的总和就等于平均动能和位能的总和就等于3（kT/2+kT/2)=3kT，一摩，一摩尔固体中有尔固体中有N个原子，总能量为：个原子，总能量为：RTNkTE33N=6.023 1023/mol，为阿佛加德罗常数。，为阿佛加德罗常数。T：热力学温度（：热力学温度（K）k：波尔茨曼常数，：波尔茨曼常数， k=R/N=1.381 10-23J/KR:=8.314J/(Kmol)/(2533)3(molKJRNkTNkTTEcvv

9、v热容：热容：1.热容的量子理论热容的量子理论三、三、热容的其它理论1摩尔固体的平均能量为摩尔固体的平均能量为一个振子的平均能量一个振子的平均能量普朗克常数普朗克常数sJ 3410055. 1 谐振子的频率谐振子的频率必须知道谐振子的频率，非常困难。所以采用简化必须知道谐振子的频率，非常困难。所以采用简化的的爱因斯坦模型和德拜模型爱因斯坦模型和德拜模型NikTieE311热容：热容：2231) 1(kTkTNiivviieekTkTEc2.爱因斯坦热容理论爱因斯坦热容理论假设：每个原子皆为一个独立的振子，原子之间彼此无关，假设：每个原子皆为一个独立的振子，原子之间彼此无关，并且并且 i = 。

10、13kTeNE1摩尔固体的平均能量为摩尔固体的平均能量为热容：热容：TNkfkTNkfeekTNkTEcEeekTkTv331322爱因斯坦比热函数爱因斯坦比热函数爱因斯坦温度爱因斯坦温度该理论的不足之处：低温时，与实验值相比，下降太多。低温时，与实验值相比，下降太多。（1）高温时，）高温时，T E，1TETeETE1RNkTTTNkTEcEEEv331322（2）低温时，）低温时，T DRcv3（2）低温时，）低温时，T D34512DvTRc（3）T0K时，时，cv 0，与实验吻合。，与实验吻合。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概念概念表示方

11、法表示方法热容定律热容定律热容理论热容理论2.1.2 2.1.2 无机材料的热膨胀无机材料的热膨胀一、热膨胀系数一、热膨胀系数二、热膨胀的物理本质二、热膨胀的物理本质三、热膨胀与其它性能的关系三、热膨胀与其它性能的关系四、影响热膨胀系数的因素四、影响热膨胀系数的因素tlll0物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀热膨胀。一、一、热膨胀系数物体原来长度为物体原来长度为l0，温度升高，温度升高 t后，长度增量为后，长度增量为 l，则有：，则有：线膨胀系数：温度升高线膨胀系数：温度升高1K时，物体时，物体的相对伸长。的相对伸长。)1 (00ta

12、lllllt物体在温度物体在温度t时的长度为：时的长度为：实际上固体材料实际上固体材料a al l并不是一个常数，通常随温度升高而增大。并不是一个常数，通常随温度升高而增大。无机材料的线膨胀系数都不大，数量级约为无机材料的线膨胀系数都不大，数量级约为1010-5-51010-6-6/K./K.1.线膨胀系数线膨胀系数物体体积与温度的关系为：物体体积与温度的关系为：)1 (0taVVVt体膨胀系数：温度升高体膨胀系数：温度升高1K时，物体体积的的相对增大值。时，物体体积的的相对增大值。2.体膨胀系数体膨胀系数各向异性晶体，各晶轴不同方向的相膨胀系数不同，假各向异性晶体，各晶轴不同方向的相膨胀系数

13、不同，假如分别为如分别为aa，ab，ac，则有：，则有：cbavaaaa立方晶系：立方晶系：lvaa3由于热膨胀系数随温度的变化而变化，因此上述的由于热膨胀系数随温度的变化而变化，因此上述的a值是指值是指定温度范围内的平均值，应用时要注意适用的温度范围。定温度范围内的平均值，应用时要注意适用的温度范围。膨胀系数的精确表达式为：膨胀系数的精确表达式为：dTVdVadTldlaTvTl,一般隔热用耐火材料的线膨胀系数常指一般隔热用耐火材料的线膨胀系数常指201000范围内的范围内的al平均数。平均数。一般固体材料：一般固体材料： 在在10-210-5/K数量级数量级一般金属、陶瓷材料：一般金属、陶

14、瓷材料： 在在10-510-6/K数量级数量级例：高压钠灯陶瓷、金属封接：高压钠灯陶瓷、金属封接：668 10/K7.8 10/K -透明氧化铝灯管：选用的封接金属铌：固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。距离随温度升高而增大。二、二、热膨胀的物理本质热膨胀热膨胀原子间距原子间距增大增大形状尺寸形状尺寸变化变化微观微观宏观宏观v 对于简谐振动，位能曲线对称，升高温度只能增大振幅，并不会对于简谐振动，位能曲线对称，升高温度只能增大振幅，并不会改变平衡位置，因此质点间的平均距离不会因温度升高而改变。改变平衡位置，因此质

15、点间的平均距离不会因温度升高而改变。v 对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振动的距离，随着温度升高，动能增大，振动激烈，质点间的平均距离动的距离，随着温度升高，动能增大，振动激烈，质点间的平均距离不断增大，形成宏观的热膨胀现象。不断增大，形成宏观的热膨胀现象。没没有有热热膨膨胀胀造造成成热热膨膨胀胀从晶各振动的方式考虑：从晶各振动的方式考虑：从原子间的相互作用力考虑：从原子间的相互作用力考虑：rr0时，曲线的斜率较小；时，曲线的斜率较小； 引力随位移的增大较慢。引力随位移的增大较慢。两侧受力不对称，使得质点两侧

16、受力不对称，使得质点振动的平衡位置右移，相邻振动的平衡位置右移，相邻质点间距离增加，晶体膨胀。质点间距离增加，晶体膨胀。温度温度T T1 1时，质点的振动位置在时，质点的振动位置在r ra a与与 r rb b 之间变化，总能量在之间变化，总能量在aAbaAb间变化。间变化。位置位置A A，r rr r0 0时，位能最低，动能最时，位能最低，动能最大；大；r rr ra a和和r rr rb b时，动能为零，位能等时，动能为零，位能等于总能量。于总能量。abab的非对称性使得平衡位置不在的非对称性使得平衡位置不在r r0 0处，处，而在而在r rr r1 1处。处。从能量角度考虑：从能量角度考

17、虑：ara、 brb 为为T1温度下质点振动的总能量温度下质点振动的总能量结果平衡位置随着温度的不同沿结果平衡位置随着温度的不同沿AB曲线变化，温度越高，平衡位曲线变化，温度越高，平衡位置移得越远，引起晶体的膨胀。置移得越远，引起晶体的膨胀。弗兰克尔双原子模型弗兰克尔双原子模型0rrxUU(x)()(0 xrUrU从能量角度考虑：从能量角度考虑：00023230rrr23dU1 d U1 d UU(r)U(r )() x() x() xdr2! dr3! dr00023rrr23dU1 d U1 d U()0()c()gdr2! dr3! dr因为= ，且令= ，-= ，则：230U(r)U(

18、r )cxgx取前两项，为对称的势能曲线。须取前三项，才能解释热膨胀现象。取前两项，为对称的势能曲线。须取前三项，才能解释热膨胀现象。23gkTx4c根据玻尔兹曼统计：根据玻尔兹曼统计：200dx3gkr dT4r c 在在r = r0处台劳展开：处台劳展开：常数常数热膨胀系数为：热膨胀系数为：1.热膨胀和结合能、熔点的关系热膨胀和结合能、熔点的关系v 由于热膨胀与质点的位能性质有关，而质点的位能由于热膨胀与质点的位能性质有关，而质点的位能性质由质点间的结合力特性决定。所以热膨胀与结性质由质点间的结合力特性决定。所以热膨胀与结合能密切相关。合能密切相关。质点间结合力强，升高相同的温度时，质点的

19、振幅增加的较质点间结合力强，升高相同的温度时，质点的振幅增加的较少，平均位置的位移增量增加得相应较少，热膨胀系数也较少，平均位置的位移增量增加得相应较少，热膨胀系数也较小。小。三、三、热膨胀与其它性能的关系v 由于单质的熔点与周期表存在一定的规律性，所以由于单质的熔点与周期表存在一定的规律性，所以热膨胀系数与周期表也相应的关系。热膨胀系数与周期表也相应的关系。单质材料单质材料(r0)min(10-10m)结合能结合能（ 103J/mol）熔点（熔点（ C）al( 10-6)金刚石金刚石1.54712.335002.5硅硅2.35364.514153.5锡锡5.3301.72325.3表表3.2

20、2.热膨胀与温度、热容的关系热膨胀与温度、热容的关系v 温度低，热膨胀系数小，温度愈高，热膨胀系数温度低，热膨胀系数小，温度愈高，热膨胀系数愈大。愈大。v 由于热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧引由于热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大。热容是升高单位温度时能量的增量。量的增大。热容是升高单位温度时能量的增量。所以热膨胀系数与热容密切相关而且规律相似。所以热膨胀系数与热容密切相关而且规律相似。3.热膨胀与结构的关系热膨胀与结构的关系组成相同的物质，结构不同时，热膨胀系数也不同。组成相同的物质，结构不

21、同时，热膨胀系数也不同。v 结构紧密地晶体，膨胀系数较大，结构较疏松的晶结构紧密地晶体，膨胀系数较大，结构较疏松的晶体，热膨胀系数较小。体，热膨胀系数较小。石英的膨胀系数为石英的膨胀系数为12 10-6/K，而石英玻璃只有，而石英玻璃只有0.5 10-6/K，就是由于玻璃的结构疏松，内部空隙较多，温度升高时，原就是由于玻璃的结构疏松，内部空隙较多，温度升高时，原子振幅加大，原子间距离增大时，部分增量被结构内部的空子振幅加大，原子间距离增大时，部分增量被结构内部的空隙容纳，于是整个物体的宏观膨胀量就小。隙容纳，于是整个物体的宏观膨胀量就小。成分与相变成分与相变晶体缺陷晶体缺陷晶体各向异性晶体各向

22、异性工艺因素工艺因素温度温度四、四、影响热膨胀系数的因素热膨胀系数热膨胀系数物理本质物理本质与其它性能的关系与其它性能的关系影响因素影响因素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2.1.3 2.1.3 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1.热导率（导热系数）的定义热导率（导热系数）的定义：12TTQSL ：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

23、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，这个现象就是热传导。端，这个现象就是热传导。TdTQSdx 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TQ dxS dT 【W/(mK)或J/(ms K) 】导热系数的物理意义：导热系数的物理意义：在单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。在单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。条件：稳定传热，即传热过程中，材料

24、在传热方向上各处的条件：稳定传热，即传热过程中，材料在传热方向上各处的温度温度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)不稳定传热过程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，存在热端一个与外界无热交

25、换，本身存在温度梯度的物体，存在热端 温度不断降低，温度不断降低，冷端温度不断提高，最终达到一致冷端温度不断提高，最终达到一致 的平衡温度。此时物体单位面积上温度的平衡温度。此时物体单位面积上温度随时间的变化为：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。22xTctTp 密度密度cp 恒压热容恒压热容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。

26、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：pca aEei e：电子热导率，来源于自由电子的贡献；：电子热导率，来源于自由电子的贡献； i：离子热导率，来源于晶格振动的贡献。：离子热导率，来源于晶格振动的贡献。iViii1Cv3 eVeee1Cv3 二、二、热传导的微观机理固体中得导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的固体中得导

27、热主要是由晶格振动的格波和自由电子的振动来实现。振动来实现。CVe：电子体积热容；：电子体积热容；le：电子的平均自由程；：电子的平均自由程；Ve：电子的平均速度。：电子的平均速度。CVi：离子体积热容；：离子体积热容；li：离子的平均自由程；：离子的平均自由程；Vi：离子的平均速度。：离子的平均速度。含有大量的含有大量的自由电子自由电子，而且电子的质量很轻，所以，而且电子的质量很轻，所以能迅速实现热传递。因此金属一般都有较大的热导能迅速实现热传递。因此金属一般都有较大的热导率。晶格振动对金属导热的贡献是次要的。率。晶格振动对金属导热的贡献是次要的。金属：金属：非金属晶体：非金属晶体：自由电子

28、很少，自由电子很少，晶格振动晶格振动是它们的主要传热机构。是它们的主要传热机构。热传导现象的产生热传导现象的产生处于较高温度下的质点，热振动较强，平均振幅也处于较高温度下的质点，热振动较强，平均振幅也较大，其临近质点温度较低，热振动较弱。这样由较大，其临近质点温度较低，热振动较弱。这样由于质点间的相互作用力，振动较弱的质点在振动较于质点间的相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动加剧，热振动能量提高。强的质点的影响下，振动加剧，热振动能量提高。于是，热量就能转移和传递，使整个晶体中热量从于是，热量就能转移和传递，使整个晶体中热量从温度较高处传向温度较低处，产生热传导现象。温度较

29、高处传向温度较低处，产生热传导现象。若系统对周围是热绝缘的，振动较强的质点受到临若系统对周围是热绝缘的，振动较强的质点受到临近振动较弱质点的牵制，振动减弱下来，是整个晶近振动较弱质点的牵制，振动减弱下来，是整个晶体最终趋于一平衡状态。体最终趋于一平衡状态。声频波的量子声频波的量子1. 声子热导声子热导温度不太高时，导热过程中主要是声频支格波有贡献。温度不太高时，导热过程中主要是声频支格波有贡献。声频支格波的传播声频支格波的传播质点质点声子的运动声子的运动晶体热传导晶体热传导声子间碰撞传热声子间碰撞传热声频支振动声频支振动光频支振动光频支振动格波格波声子热导声子热导声子热导声子热导晶格振动晶格振

30、动 声子间碰撞引起的散射声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源；是晶格中热阻的主要来源； 声子间碰撞几率越大，平均自由程越小，热导率越低。声子间碰撞几率越大，平均自由程越小，热导率越低。 晶体中的晶体中的缺陷、杂质、晶界缺陷、杂质、晶界等使声子平均自由程降低，使等使声子平均自由程降低，使 减小；减小； 平均自由程与平均自由程与声子振动频率声子振动频率有关，波长长的格波容易绕过缺陷，有关，波长长的格波容易绕过缺陷，使自由程加大，使使自由程加大，使 增大；增大； 平均自由程与平均自由程与温度温度有关，温度升高，声子的振动能量加大，频率有关，温度升高，声子的振动能量加大，频率加快，碰撞增多，自由

31、程减小。在高温时，最小平均自由程等于加快，碰撞增多，自由程减小。在高温时，最小平均自由程等于几个晶格间距；在低温时，最长平均自由程长达晶粒的尺度。几个晶格间距；在低温时，最长平均自由程长达晶粒的尺度。c：声子体积热容；：声子体积热容；l：声子的平均自由程；：声子的平均自由程；v：声子的平均速度。：声子的平均速度。cvl31影响因素影响因素2.光子热导光子热导v 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出频率较高的电磁波，其中波长在的改变，会辐射出频率较高的电磁波，其中波长在0.440 m之间的可见光与部分近红外光的区域的之间的可见光

32、与部分近红外光的区域的这部分电磁波具有较强热效应这部分电磁波具有较强热效应，称为热射线。，称为热射线。v 热射线的传递过程称为热辐射，由于它们都在光谱热射线的传递过程称为热辐射，由于它们都在光谱范围内，其传播过程和光在介质中的传播的现象类范围内，其传播过程和光在介质中的传播的现象类似（光的吸收、反射、透射、折射、散射、衍射似（光的吸收、反射、透射、折射、散射、衍射等），所以可以把它们的导热过程看作是光子在介等），所以可以把它们的导热过程看作是光子在介质中传播的导热过程，称为光子导热。质中传播的导热过程，称为光子导热。辐射传热辐射传热光子热导光子热导辐射传热原理辐射传热原理任何温度下的物体既能辐

33、射出一定频率的射线，同样也任何温度下的物体既能辐射出一定频率的射线，同样也能吸收类似的射线。能吸收类似的射线。存在温度梯度时，温度高的部分辐射的能量大，吸收的存在温度梯度时，温度高的部分辐射的能量大，吸收的能量少，温度低的部分正好相反，于是产生能量的转移，能量少，温度低的部分正好相反，于是产生能量的转移，介质中的热量就从高温处向低温处传递。介质中的热量就从高温处向低温处传递。真空条件下的传热真空条件下的传热1.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

34、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。2. 显微结构的影响显微结构的影响（1 1）结晶构造的影响）结晶构造的影响声子传导与晶格振动的非谐性有关。晶体结构愈复声子传导与晶格振动的非谐性有关。晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大。格

35、波受到的散射杂，晶格振动的非谐性程度愈大。格波受到的散射愈大，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

36、高，晶体结构的对称性提高。度升高，晶体结构的对称性提高。（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

37、。高温时，单晶中光子传导效应比多晶中更明显。（4 4）非晶体的热导率）非晶体的热导率非晶体具有非晶体具有“近程有序，长程无序近程有序，长程无序”的结构。低温下，其声子平的结构。低温下，其声子平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。距。较高温度下，玻璃的导热主要由热容与温度的关系决定；较高温较高温度下，玻璃的导热主要由热容与温度的关系决定；较高温度以上则需考虑光子导热的贡献。度以上则需考虑光子导热的贡献。hgFh g 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 不考虑光子导热的贡献时，

38、所有温度下非晶体的导热系数都比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。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

39、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) 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素相差越大，取代后结合力改变越大，对热导率的影响基体元素相差越大，取代后结合力改变越大，对热导率的影响越大。越大。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

40、分散在连续相中：121112121dcdcddcdcdcVV 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5.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：cporedd0, Q 很大 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。对于陶瓷，当温度较低时，在气孔较少、尺寸较小

41、、分对于陶瓷，当温度较低时，在气孔较少、尺寸较小、分布均匀的情况下，气孔可看作一分散相，此时陶瓷材料布均匀的情况下，气孔可看作一分散相，此时陶瓷材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。pVsdc11四、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。低温具有较高热导率的材料低温具有较高热导率的材料（Al

42、2O3，BeO，MgO）：1036105 . 8125TTAA：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dcT bt10b：常数：常数

43、 0：0C时材料的热导率时材料的热导率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2.1.4 2.1.4 无机材料的热稳定性无机材料的热稳定性一、热稳定性的概念与表示方法一、热稳定性的概念与表示方法二、热应力二、热应力三、抗热冲击断裂性能三、抗热冲击断裂性能四、提高抗热冲击断裂性能的措施四、提高抗热冲击断裂性能的措施一、一、热稳定性的概念与表示方法1.概念概念热稳定性热稳定性指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为力，又称为抗热震性抗热震性。抗热冲击断裂性抗热冲

44、击断裂性抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性能，例如表面开裂、剥落，并不断发展，能，例如表面开裂、剥落，并不断发展，最终破裂或变质。最终破裂或变质。2.表示方法表示方法由于目前对热稳定性的理论研究还不完善，对材料热由于目前对热稳定性的理论研究还不完善，对材料热稳定性的评价还是采用比较直观的测定方法。稳定性的评价还是采用比较直观的测定方法。日用瓷：日用瓷：以一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即放入室以一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即放入室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度来表测到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度来表征其热稳定性。征其热稳定性。高温陶瓷材料：高温陶瓷材料：加热到一定温度后，在水中急冷，然后测定其抗加热到一定温度后，在水中急冷，然后测定其抗弯强度的损失率来评定其热稳定性。弯强度的损失率来评定其热稳定性。普通