纺织物理纤维的热学性质ppt课件

1、第六章第六章 纤维的热学性质纤维的热学性质主要问题：主要问题：纤维各典型热力学形状的特征与产活力制及其相关性纤维各典型热力学形状的特征与产活力制及其相关性质质纤维在不同温度下的高分子柔性、聚集态构造及形状纤维在不同温度下的高分子柔性、聚集态构造及形状特征特征纤维的物质的热物理性质纤维的物质的热物理性质Thermo-physical properties包括热输运性质传质与热传导性质包括热输运性质传质与热传导性质和热力学性质两大类。和热力学性质两大类。纤维资料的热辐射防护性能：热光性能；熄灭性质纤维资料的热辐射防护性能：热光性能；熄灭性质热分析技术：热分析技术： DTA、DSC、TMA、DMA、

2、TG技技术。术。纤维资料的热加工与定形实际与机理纤维资料的热加工与定形实际与机理第六章第六章 纤维的热学性质纤维的热学性质涉及章节与重点：涉及章节与重点：1. 纤维的热力学形状与性质纤维的热力学形状与性质热力学形状与转变；热力学形状与转变；Tg与机理；其他转变方式与与机理；其他转变方式与机理机理2. 纤维的热物性质纤维的热物性质 根本概念；热传导机理、参数与方程；纤维导热机根本概念；热传导机理、参数与方程；纤维导热机理理3. 纤维的熄灭性质纤维的熄灭性质纤维熄灭性；熄灭机理与过程及其表征；要素与阻纤维熄灭性；熄灭机理与过程及其表征；要素与阻燃燃4. 纤维的热分析技术纤维的热分析技术根本方法；典

3、型运用方法根本方法；典型运用方法5. 纤维的热定形纤维的热定形 纤维定形概念；根本原理与机制；纤维定形方法纤维定形概念；根本原理与机制；纤维定形方法第一节第一节 纤维的热力学形状与性质纤维的热力学形状与性质 本节将对纤维各典型热力学形状的特征与产活力制及其本节将对纤维各典型热力学形状的特征与产活力制及其相关性质作根本表达。相关性质作根本表达。 纤维的纤维的热力学性质热力学性质分子的构造分子的构造热运动形状热运动形状纤维的性状纤维的性状有关有关是温度的函数是温度的函数影响纤维的成形加工和运用性能影响纤维的成形加工和运用性能),( TtPG 第一节第一节 纤维的热力学形状与性质纤维的热力学形状与性

4、质 一、纤维的热力学形状与转变一、纤维的热力学形状与转变 1非晶态高聚物的热力学形状与转变非晶态高聚物的热力学形状与转变 对一非晶态高聚物试样施加一恒定而较小的应力，在等速升对一非晶态高聚物试样施加一恒定而较小的应力，在等速升温的环境下察看试样形变与温度的关系，可得图温的环境下察看试样形变与温度的关系，可得图6- 1中所示中所示的曲线。通常称为温度的曲线。通常称为温度-形变曲线或热机械曲线。形变曲线或热机械曲线。根据试样的力学性质随温度变化的特征，可以把非晶态高聚根据试样的力学性质随温度变化的特征，可以把非晶态高聚物按温度区域的不同，划为三种力学形状：玻璃态、高弹态物按温度区域的不同，划为三种

5、力学形状：玻璃态、高弹态和粘流态。并相应地构成两个转变区：玻璃化转变区和粘弹和粘流态。并相应地构成两个转变区：玻璃化转变区和粘弹转变区。三种力学形状及两种转变区的特征是非晶态高聚物转变区。三种力学形状及两种转变区的特征是非晶态高聚物内部分子处于不同运动形状的宏观表现。内部分子处于不同运动形状的宏观表现。一、纤维的热力学形状与转变一、纤维的热力学形状与转变 1非晶态高聚物的热力学形状与转变非晶态高聚物的热力学形状与转变1玻璃态：链段处于被冻结的形状，只需那些较小的运玻璃态：链段处于被冻结的形状，只需那些较小的运动单元，如侧基、支链和小链节等可以运动。动单元，如侧基、支链和小链节等可以运动。 2玻

6、璃化转变区：是非晶态高聚物资料对温度非常敏感玻璃化转变区：是非晶态高聚物资料对温度非常敏感的区域。在的区域。在3-5范围内，几乎一切性质都发生突变如热范围内，几乎一切性质都发生突变如热膨胀系数、模量、介电常数、折光指数等。从分子运动机膨胀系数、模量、介电常数、折光指数等。从分子运动机理看，在此温度范围，链段开场解冻，即链段运动被激发。理看，在此温度范围，链段开场解冻，即链段运动被激发。此转变的温度称为玻璃化温度，通常用此转变的温度称为玻璃化温度，通常用Tg表示。表示。 3高弹态：链段的运动，改动构象以顺应外力的作用。高弹态：链段的运动，改动构象以顺应外力的作用。受力时，分子链在力场作用下可从卷

7、曲形状变到伸展形状，受力时，分子链在力场作用下可从卷曲形状变到伸展形状，外力除去，分子链又可经过单键的内旋转和链段运动回复到外力除去，分子链又可经过单键的内旋转和链段运动回复到原来的卷曲形状。高弹性的模量为原来的卷曲形状。高弹性的模量为105107 Pa，比普弹性的，比普弹性的模量模量10101011 Pa小得多；形变可达小得多；形变可达100-1000%，比普，比普弹形变弹形变0.01%0.1%大得多。大得多。一、纤维的热力学形状与转变一、纤维的热力学形状与转变 1非晶态高聚物的热力学形状与转变非晶态高聚物的热力学形状与转变4粘弹转变区：也是一个对温度非常敏感的区域，链段粘弹转变区：也是一个

8、对温度非常敏感的区域，链段可沿作用力方向协同运动。这不仅使分子链的形状改动，而可沿作用力方向协同运动。这不仅使分子链的形状改动，而且导致大分子链段在长范围内发生相对位移，聚合物开场出且导致大分子链段在长范围内发生相对位移，聚合物开场出现流动性，模量迅速下降现流动性，模量迅速下降2个数量级，形变迅速添加。此转个数量级，形变迅速添加。此转变温度称为粘流温度，用变温度称为粘流温度，用Tf表示。表示。 5粘流态：在这种形状下，不仅链段运动的松弛时间缩粘流态：在这种形状下，不仅链段运动的松弛时间缩短了，而且整个分子链挪动的松弛时间也缩短到实验可察看短了，而且整个分子链挪动的松弛时间也缩短到实验可察看的时

9、间尺度。这时高聚物在外力作用下会发生粘性流动，它的时间尺度。这时高聚物在外力作用下会发生粘性流动，它是整个分子链互对滑移的宏观表现。这种流动与低分子液体是整个分子链互对滑移的宏观表现。这种流动与低分子液体流动类似，是不可逆的变形。高聚物的分子量越高，分子间流动类似，是不可逆的变形。高聚物的分子量越高，分子间作用力那么越大，分子的相对位移也越困难。分子间有化学作用力那么越大，分子的相对位移也越困难。分子间有化学键交联的高聚物，由于分子不能发生相对位移，因此无粘弹键交联的高聚物，由于分子不能发生相对位移，因此无粘弹转变区和粘流态。转变区和粘流态。一、纤维的热力学形状与转变一、纤维的热力学形状与转变

10、 2晶态高聚物的热力学形状与转变晶态高聚物的热力学形状与转变对于晶态高聚物，宏观上无明显的玻璃化转变，其温度形变对于晶态高聚物，宏观上无明显的玻璃化转变，其温度形变曲线在熔点以前不出现明显的转机。曲线在熔点以前不出现明显的转机。由于晶态高聚物通常为存在非晶区的两相构造，因此存在由于晶态高聚物通常为存在非晶区的两相构造，因此存在Tg。在较少结晶的高聚物中，微晶体起着类似交联点的作用，这在较少结晶的高聚物中，微晶体起着类似交联点的作用，这种试样依然存在明显的玻璃化转变；当结晶度足够大时，微种试样依然存在明显的玻璃化转变；当结晶度足够大时，微晶体彼此衔接，构成贯穿整个资料的延续结晶相，玻璃化转晶体彼

11、此衔接，构成贯穿整个资料的延续结晶相，玻璃化转变消逝。变消逝。结晶高聚物的晶区熔融后，是不是进入粘流态，要视试样的结晶高聚物的晶区熔融后，是不是进入粘流态，要视试样的分子量而定。假设分子量不太大，非晶区的粘流温度分子量而定。假设分子量不太大，非晶区的粘流温度Tf低于低于晶区的熔点晶区的熔点Tm，那么晶区熔融后，整个试样便成为粘性的，那么晶区熔融后，整个试样便成为粘性的流体；假设分子量足够大，以致于流体；假设分子量足够大，以致于Tf大于大于Tm，那么晶区熔，那么晶区熔融后，将出现高弹态，如图融后，将出现高弹态，如图6- 2所示。所示。一、纤维的热力学形状与转变一、纤维的热力学形状与转变 3纤维高

12、聚物的热力学形状与转变纤维高聚物的热力学形状与转变就纤维高聚物而言，其力学性质随温度变化改动的规律，有就纤维高聚物而言，其力学性质随温度变化改动的规律，有两种类型：两种类型：1热塑性纤维：大多数热塑性纤维，如各种合成纤维和热塑性纤维：大多数热塑性纤维，如各种合成纤维和醋酯纤维等，其内部有结晶部分，但结晶并不完好，存在很醋酯纤维等，其内部有结晶部分，但结晶并不完好，存在很大的非晶态区域。这类纤维在受热以后，随着温度的提高，大的非晶态区域。这类纤维在受热以后，随着温度的提高，将相继出现玻璃态、高弹态、粘流态三种物理形状，其热力将相继出现玻璃态、高弹态、粘流态三种物理形状，其热力学行为与晶态高聚物相

13、类似。学行为与晶态高聚物相类似。2非热塑性纤维：如天然和再生纤维素纤维和天然蛋白非热塑性纤维：如天然和再生纤维素纤维和天然蛋白质纤维，在受热以后，随着温度的提高，将不出现某些物理质纤维，在受热以后，随着温度的提高，将不出现某些物理形状的变化过程，有的的熔点高于分解点，在高温作用下，形状的变化过程，有的的熔点高于分解点，在高温作用下，不熔融而分解。不熔融而分解。 二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变纤维高聚物在玻璃化温度时，很多性质都发生非延续性的或纤维高聚物在玻璃化温度时，很多性质都发生非延续性的或转机性的变化。特别是力学性能，初始模量改动转机性的变化。特别是力学性能，初始模量

14、改动34个数量个数量级，使巩固资料，突变为柔软弹性体，完全改动了资料的运级，使巩固资料，突变为柔软弹性体，完全改动了资料的运用性能。因此，玻璃化转变是纤维高聚物的一个非常重要的用性能。因此，玻璃化转变是纤维高聚物的一个非常重要的性质，研讨玻璃化转变具有重要的实际和实践意义。性质，研讨玻璃化转变具有重要的实际和实践意义。1玻璃化温度的丈量玻璃化温度的丈量 1体积变化丈量：体积或比容随温度变化如图体积变化丈量：体积或比容随温度变化如图6-3所示。所示。 2热学性量变化丈量：热容变化热学性量变化丈量：热容变化DTA和和DSC。 3力学性量变化丈量：力学损耗力学性量变化丈量：力学损耗温度曲线图温度曲线

15、图6- 4。 4电磁性量变化丈量：介电损耗电磁性量变化丈量：介电损耗温度谱。温度谱。必需指出，不同性质的改动所测出的玻璃化温度常不一样。必需指出，不同性质的改动所测出的玻璃化温度常不一样。纤维的玻璃化温度见表纤维的玻璃化温度见表6- 2。表中括号内的值为不同实验结。表中括号内的值为不同实验结果的报道，玻璃化温度果的报道，玻璃化温度Tg约为熔融温度约为熔融温度Tm的的1/2 (以绝对温以绝对温度计度计)。二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变2玻璃化转变实际玻璃化转变实际对于玻璃化转变景象，至今尚无完善的实际可以作出完全符对于玻璃化转变景象，至今尚无完善的实际可以作出完全符合实验现

16、实的正确解释。曾经提出的实际有很多，但主要的合实验现实的正确解释。曾经提出的实际有很多，但主要的有三种：自在体积实际、热力学实际和动力学实际。有三种：自在体积实际、热力学实际和动力学实际。自在体积实际以为液体和固体物质，其体积由两部分组成：自在体积实际以为液体和固体物质，其体积由两部分组成：一部分是被分子占据的体积，称为已占体积；另一部分是未一部分是被分子占据的体积，称为已占体积；另一部分是未被分子占据的体积，称为自在体积。后者以被分子占据的体积，称为自在体积。后者以“空穴的方式空穴的方式分散于整个物质之中。正是由于自在体积的存在，分子链才分散于整个物质之中。正是由于自在体积的存在，分子链才能

17、够经过转动和位移来调整构象。因此，玻璃化温度就是自能够经过转动和位移来调整构象。因此，玻璃化温度就是自在体积到达某一临界值的温度。在这临界值以下，没有足够在体积到达某一临界值的温度。在这临界值以下，没有足够的空间进展分子链构象的调整，因此高聚物的玻璃态又被视的空间进展分子链构象的调整，因此高聚物的玻璃态又被视为等自在体积形状。为等自在体积形状。二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变3影响玻璃化温度的要素影响玻璃化温度的要素玻璃化转变是高分子的链段从冻结到运动或反之的一个玻璃化转变是高分子的链段从冻结到运动或反之的一个转变温度，而链段运动是经过主链的单键内旋转来实现的，转变温度，而

18、链段运动是经过主链的单键内旋转来实现的，因此，凡是能影响高分子链柔性的要素，都对因此，凡是能影响高分子链柔性的要素，都对Tg有影响。有影响。 1主链构造：主链由饱和单键构成的高聚物，由于分子主链构造：主链由饱和单键构成的高聚物，由于分子链可以绕单键内旋转，链的柔性大，所以链可以绕单键内旋转，链的柔性大，所以Tg较低。当主链中较低。当主链中含有苯环等芳杂环时，使链中可内旋转的单键数目减少，链含有苯环等芳杂环时，使链中可内旋转的单键数目减少，链的柔性降低，因此的柔性降低，因此Tg升高。升高。 2侧基或侧链：侧基是极性基团时，由于使内旋转活化侧基或侧链：侧基是极性基团时，由于使内旋转活化能添加，因此

19、能添加，因此Tg升高。假设侧基是非极性基团，其影响主要升高。假设侧基是非极性基团，其影响主要是空间位阻效应，侧基体积越大，对内旋转妨碍越大，使是空间位阻效应，侧基体积越大，对内旋转妨碍越大，使Tg升高。具有大侧链的资料，也有较低的升高。具有大侧链的资料，也有较低的Tg，是由于分子间作，是由于分子间作用力减弱和侧链柔顺性好的缘故。用力减弱和侧链柔顺性好的缘故。 二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变3影响玻璃化温度的要素影响玻璃化温度的要素 3分子量分子量 ：当分子量较低时，：当分子量较低时，Tg随分子量添加而添加；随分子量添加而添加；当分子量超越一定程度以后，当分子量超越一定程度

20、以后，Tg随分子量添加就不明显了。随分子量添加就不明显了。这是由于在分子链两端各有一个链端链段，这种链端链段的这是由于在分子链两端各有一个链端链段，这种链端链段的活动才干要比普通的链段来得大。分子量低，链端效应越高，活动才干要比普通的链段来得大。分子量低，链端效应越高，分子量大，链端的比例少。当分子量添加到一定程度以后，分子量大，链端的比例少。当分子量添加到一定程度以后，这种链端链段占的比例很小，因此这种链端链段占的比例很小，因此Tg不再随分子量变化。不再随分子量变化。 4交联：当分子间存在交联时，链段活动才干下降，交联：当分子间存在交联时，链段活动才干下降，Tg升高。交联点密度越高，升高。交

21、联点密度越高，Tg添加越甚。添加越甚。 5混合、接枝及共聚：混合高聚物中的两种成分相容时，混合、接枝及共聚：混合高聚物中的两种成分相容时，表现出单一资料的性能。例如，聚丙烯酸甲酯和聚醋酸乙烯表现出单一资料的性能。例如，聚丙烯酸甲酯和聚醋酸乙烯酯的酯的Tg分别为分别为15及及45，50:50混合聚合成的资料，混合聚合成的资料，Tg为为80。当两种高分子在混合体中不相容时，那么可察看到两。当两种高分子在混合体中不相容时，那么可察看到两个玻璃化转变，分别接近于两种高分子资料的玻璃化温度。个玻璃化转变，分别接近于两种高分子资料的玻璃化温度。二、纤维高聚物的玻璃化转变二、纤维高聚物的玻璃化转变3影响玻璃

22、化温度的要素影响玻璃化温度的要素 6增塑剂的作用：增塑剂的分子量低，参与高分子资料增塑剂的作用：增塑剂的分子量低，参与高分子资料中使资料的柔软度增大。增塑剂溶于高分子资料中间，会使中使资料的柔软度增大。增塑剂溶于高分子资料中间，会使分子链间作用力减弱，因此资料的分子链间作用力减弱，因此资料的Tg下降，并且使损耗峰变下降，并且使损耗峰变宽。在增塑剂部分溶解于高分子资料或与高分子起作用时，宽。在增塑剂部分溶解于高分子资料或与高分子起作用时，更为显著。更为显著。 7结晶的作用：晶态高聚物中通常都存在非晶部分，因结晶的作用：晶态高聚物中通常都存在非晶部分，因此仍有玻璃化温度，但是由于微晶的存在，使非晶

23、部分链段此仍有玻璃化温度，但是由于微晶的存在，使非晶部分链段的活动才干遭到牵制。普通晶态高聚物的的活动才干遭到牵制。普通晶态高聚物的Tg要高于非晶态同要高于非晶态同种高聚物的种高聚物的Tg，例如，无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯的，例如，无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯的Tg=69，而结晶度为，而结晶度为50%的结晶聚对苯二甲酸乙二醇酯的的结晶聚对苯二甲酸乙二醇酯的Tg=81，并且随结晶度的添加，并且随结晶度的添加Tg也添加。另外，当结晶度也添加。另外，当结晶度足够大时，微晶体彼此衔接，非晶部分链段的活动难以进展，足够大时，微晶体彼此衔接，非晶部分链段的活动难以进展，宏观上将觉察不到明显的玻璃化转变。宏观

24、上将觉察不到明显的玻璃化转变。三、纤维高聚物的多重转变三、纤维高聚物的多重转变1. 非晶态高聚物的多重转变非晶态高聚物的多重转变对于非晶态高聚物而言，在玻璃化温度以下，虽然链段运动对于非晶态高聚物而言，在玻璃化温度以下，虽然链段运动被冻结了，但是多种小尺寸的运动单元仍能运动，由于它们被冻结了，但是多种小尺寸的运动单元仍能运动，由于它们运动所需求的活化能较低，可以在较低的温度下被激发。自运动所需求的活化能较低，可以在较低的温度下被激发。自然，随着温度的升降，这些小尺寸的运动单元同样也要发生然，随着温度的升降，这些小尺寸的运动单元同样也要发生从冻结到运动或从运动到冻结的转变过程。如图从冻结到运动或

25、从运动到冻结的转变过程。如图6- 6a所所示，非晶态高分子资料的典型动态粘弹谱图中，除玻璃化主示，非晶态高分子资料的典型动态粘弹谱图中，除玻璃化主转变之外，在低于转变之外，在低于Tg的范围内，还存在许多小的转变。普通的范围内，还存在许多小的转变。普通将玻璃化转变称为主转变，用将玻璃化转变称为主转变，用代表，而将低于代表，而将低于Tg的转变称的转变称为次级转变，并按转变温度自高到低的顺序分别记作为次级转变，并按转变温度自高到低的顺序分别记作、等。次级转变峰存在的缘由较为复杂，普通以为是与主链等。次级转变峰存在的缘由较为复杂，普通以为是与主链的侧基、支链、主链或支链上的各种官能团、几个链节和链的侧

26、基、支链、主链或支链上的各种官能团、几个链节和链段的某一部分的运动有关。段的某一部分的运动有关。三、纤维高聚物的多重转变三、纤维高聚物的多重转变2. 晶态高聚物的多重转变晶态高聚物的多重转变对于晶态高聚物而言，由于同时含有晶态和非晶态部分，所对于晶态高聚物而言，由于同时含有晶态和非晶态部分，所以除了具有非晶态高聚物所具有的以除了具有非晶态高聚物所具有的、转变之外，还转变之外，还有晶区部分的转变，如图有晶区部分的转变，如图6-6b所示，包括晶区的解序所示，包括晶区的解序预熔、熔融等转变。此外，由于晶区缺陷的存在，例如预熔、熔融等转变。此外，由于晶区缺陷的存在，例如链的折叠部分、链的尾端等运动也会

27、产生转变。另外，结晶链的折叠部分、链的尾端等运动也会产生转变。另外，结晶高聚物还能够产生晶型转变，即从一种结晶构造转变为另一高聚物还能够产生晶型转变，即从一种结晶构造转变为另一种结晶构造。种结晶构造。三、纤维高聚物的多重转变三、纤维高聚物的多重转变3. 多重转变的表征方法多重转变的表征方法高聚物的多重转变，是高聚物内部各种尺寸运动单元运动的高聚物的多重转变，是高聚物内部各种尺寸运动单元运动的表达，通常可以采用动态粘弹谱和动态介电谱来表征。图表达，通常可以采用动态粘弹谱和动态介电谱来表征。图6- 7为两种含单体量不同的聚酰胺为两种含单体量不同的聚酰胺-6的动态粘弹谱，图中的动态粘弹谱，图中转变转

28、变为为Tg；转变为主链中转变为主链中CONH的运动；的运动；转变为主链中三转变为主链中三个个CH2链节的曲柄运动。可以看出，随单体含量添加，链节的曲柄运动。可以看出，随单体含量添加，、转变温度下降，这显然是由于单体起了增塑的作用。转变温度下降，这显然是由于单体起了增塑的作用。第二节第二节 纤维的热物理性质纤维的热物理性质 物质的热物理性质包括热输运性质传质与热传导性质和物质的热物理性质包括热输运性质传质与热传导性质和热力学性质两大类。其主要研讨范畴，通常涉及五方面：热力学性质两大类。其主要研讨范畴，通常涉及五方面：资料的热物性质在不同环境和物理形状下的特征和规律资料的热物性质在不同环境和物理形

29、状下的特征和规律温度、压力、湿度、气孔、密度、气氛等；温度、压力、湿度、气孔、密度、气氛等；宏观热物性与组成、构造结晶、取向、界面和微细构造宏观热物性与组成、构造结晶、取向、界面和微细构造和工艺要素的关系；和工艺要素的关系；微观热传导机理和实际电子、声子、光子和分子的碰撞微观热传导机理和实际电子、声子、光子和分子的碰撞与运动导热规律与实际模型；与运动导热规律与实际模型；热物性表征方法与实际；热物性表征方法与实际；特征热物性资料导热资料和数据库各种资料的热物特征热物性资料导热资料和数据库各种资料的热物性数据及识别对比，数据集合、挑选、优化和分析。性数据及识别对比，数据集合、挑选、优化和分析。本节

30、主要讨论热传导性质中的根本概念，传导机制，以及热本节主要讨论热传导性质中的根本概念，传导机制，以及热传导性质在纤维及其集合体的表达。传导性质在纤维及其集合体的表达。第二节第二节 纤维的热物性质纤维的热物性质 一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导1热传导的根本概念热传导的根本概念传热是热量从高温区域向低温区域传播的过程，即由温差引传热是热量从高温区域向低温区域传播的过程，即由温差引起的。通常热量的传送分为三种根本方式：传导、对流和辐起的。通常热量的传送分为三种根本方式：传导、对流和辐射。在实践传热中，极少是单一方式，往往为两种或全部三射。在实践传热中，极少是单一方式，往往为两种或全部

31、三种的复合传热。种的复合传热。在不透明的固体中，热流只能经过热传导而进展在不透明的固体中，热流只能经过热传导而进展在透明或半透明的固体中，可以出现热传导和辐射在透明或半透明的固体中，可以出现热传导和辐射在液体和气体中，同时出现热传导、对流和辐射传热过程。在液体和气体中，同时出现热传导、对流和辐射传热过程。纤维及其纤维集合体通常是固体和气体的混合体或多孔资料，纤维及其纤维集合体通常是固体和气体的混合体或多孔资料，而且往往又是透明或半透明物质，因此传热的三种方式都有而且往往又是透明或半透明物质，因此传热的三种方式都有能够存在。能够存在。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导热传导的解释是

32、，物质内分子或晶格随机运动中直接的动能热传导的解释是，物质内分子或晶格随机运动中直接的动能交换，或金属中自在电子的漂移，使一物体同另一物体或物交换，或金属中自在电子的漂移，使一物体同另一物体或物体一部分同另一部分之间发生的内能交换。这种能量或热量体一部分同另一部分之间发生的内能交换。这种能量或热量的流动，是由能量较高的粒子与能量较低粒子的换能。由于的流动，是由能量较高的粒子与能量较低粒子的换能。由于结晶资料的热量传导是经过晶格的振动实现的，而其能量是结晶资料的热量传导是经过晶格的振动实现的，而其能量是量子化的，因此把晶格振动的量子化的，因此把晶格振动的“量子称为声子。这样，介电量子称为声子。这

33、样，介电物质的热传导就可以看成是声子相互作用和碰撞的结果。传物质的热传导就可以看成是声子相互作用和碰撞的结果。传导的显著特征是，热传输中没有明显的物质挪动。其导热量导的显著特征是，热传输中没有明显的物质挪动。其导热量QF的数学表达为傅立叶的数学表达为傅立叶Fourier导热定律：导热定律：式中，式中，为导热系数为导热系数kCal/hrm, Cal/seccm,W/moK, W/moC；A为垂直于热流方向的传导面积为垂直于热流方向的传导面积m2, cm2；T为传导间隔为传导间隔Lm, cm两端的温度差两端的温度差；t为热传导的时间为热传导的时间hr, sec。tLTAQF(6. 6)一、物质的热

34、物性与热传导一、物质的热物性与热传导热的对流所定义的是，物质宏观流动引起其中一部分物质与热的对流所定义的是，物质宏观流动引起其中一部分物质与另一部物质混合的过程。能量或粒子从空间一点转移到另一部物质混合的过程。能量或粒子从空间一点转移到另一点的传送是借流体本身的位移来实现的。该流动混合过另一点的传送是借流体本身的位移来实现的。该流动混合过程，可以由高能量区向低能量区转移，亦可反之。前者为流程，可以由高能量区向低能量区转移，亦可反之。前者为流体物质温度差呵斥的密度差引起的流动，称为自在或自然对体物质温度差呵斥的密度差引起的流动，称为自在或自然对流；后者需外界机械作用如风机、泵等引起的对流，称流；

35、后者需外界机械作用如风机、泵等引起的对流，称为强迫对流。通常是不能够察看到流体内的纯热传导，由于为强迫对流。通常是不能够察看到流体内的纯热传导，由于温差一加到流体上，就会因密度差而发生自在对流。对流通温差一加到流体上，就会因密度差而发生自在对流。对流通常为固体外表和与其相邻运动流体间的换能，其对流换热量常为固体外表和与其相邻运动流体间的换能，其对流换热量QN的简约而经典的表达为牛顿冷却定律：的简约而经典的表达为牛顿冷却定律：式中，式中，为外表换热系数，或膜系数，对流系数为外表换热系数，或膜系数，对流系数W/m2oK, W/moC；A为流体和固体间的界面面积为流体和固体间的界面面积m2；T为固体

36、与流体的温差为固体与流体的温差oK，。 (6. 7) TAQN一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导热的辐射是表述由受热激发的物体外表发出的电磁辐射。这热的辐射是表述由受热激发的物体外表发出的电磁辐射。这种电磁辐射向周围发射，当它碰到其他物体时，能够被反射、种电磁辐射向周围发射，当它碰到其他物体时，能够被反射、透过和吸收。假设入射的辐射为热辐射即具有相应的波透过和吸收。假设入射的辐射为热辐射即具有相应的波长，那么吸收的辐射能量在物体内表现为热。因此，这种长，那么吸收的辐射能量在物体内表现为热。因此，这种传热方式与前述两种方式完全不同，无需传送介质。两热辐传热方式与前述两种方式完全不同

37、，无需传送介质。两热辐射物体间，将不断地进展能量交换，有净能量时，两物质外射物体间，将不断地进展能量交换，有净能量时，两物质外表存在温度差，净能量为零时达热平衡，但能量交换仍继续。表存在温度差，净能量为零时达热平衡，但能量交换仍继续。热辐射能量热辐射能量QSB可由斯蒂芬可由斯蒂芬-玻尔兹曼玻尔兹曼Stefan-Boltzmann的辐射定律给出：的辐射定律给出：式中，式中，QSB为单位面积的外表辐射能为单位面积的外表辐射能W/m2；为该外表的辐射才干，介；为该外表的辐射才干，介于于0和和1之间；之间；为通用物理常数为通用物理常数W/m2oK。 (6. 8) 4TQSB一、物质的热物性与热传导一、

38、物质的热物性与热传导2热传导的根本研讨方式热传导的根本研讨方式所谓微观途径是从物理学科或资料学科的角度出发，以固体所谓微观途径是从物理学科或资料学科的角度出发，以固体物理和晶体化学等为根底，经过微观粒子和晶格运动及相互物理和晶体化学等为根底，经过微观粒子和晶格运动及相互作用的研讨，从本质上提示物质热传导的机理，阐明影响热作用的研讨，从本质上提示物质热传导的机理，阐明影响热传导的构造和物理化学要素，把微观构造、传导机制和宏观传导的构造和物理化学要素，把微观构造、传导机制和宏观热物性质联络起来，找出其内在规律，进而预测资料的宏观热物性质联络起来，找出其内在规律，进而预测资料的宏观热物性质。由于经过

39、微观途径，不仅可以建立起对资料传热热物性质。由于经过微观途径，不仅可以建立起对资料传热的根本认识，而且将成为设计功能热物性资料和开展高性能的根本认识，而且将成为设计功能热物性资料和开展高性能换能器件的不可或缺的重要手段，以及微尺度传热学研讨的换能器件的不可或缺的重要手段，以及微尺度传热学研讨的根底。根底。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的普通热传导性质物质的普通热传导性质物质的热传导性质是指与能量和动量传送过程有关的导热系物质的热传导性质是指与能量和动量传送过程有关的导热系数、导温系数、粘度、热膨胀系数以及热辐射性质发射率、数、导温系数、粘度、热膨胀系数以及热辐射性质发射

40、率、吸收率、反射率等吸收率、反射率等i。美国普渡大学热物理性质研讨中心。美国普渡大学热物理性质研讨中心TPRC，曾对六个热物理性质汇编了十三卷固体资料和流，曾对六个热物理性质汇编了十三卷固体资料和流体介质的热物性手册，即表征导热才干的导热系数体介质的热物性手册，即表征导热才干的导热系数、表征均、表征均温才干的导温系数温才干的导温系数、表征蓄热才干的比比热量、表征蓄热才干的比比热量Cp，以及热，以及热膨胀系数膨胀系数、热发射率、热发射率和粘度和粘度等六个热物理性质。其中，可等六个热物理性质。其中，可从宏观传导模型或从微观机理上导出，但由于问题的复杂性，从宏观传导模型或从微观机理上导出，但由于问题

41、的复杂性，至今还未能准确地进展详细计算，热物性根本上仍须依托直至今还未能准确地进展详细计算，热物性根本上仍须依托直接的实验测定接的实验测定ii。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的普通热传导性质物质的普通热传导性质1导热系数导热系数：物质热传导性质主要决议于资料的导热系：物质热传导性质主要决议于资料的导热系数，导热系数是物质的一种输运特性，它标志着热分散过程数，导热系数是物质的一种输运特性，它标志着热分散过程中的能量传送速率。这一参数取决于物质，原子、分子和晶中的能量传送速率。这一参数取决于物质，原子、分子和晶格的物理构造，并与物质形状有关。经过对不同聚集形状下格的物理构造

42、，并与物质形状有关。经过对不同聚集形状下各种物质导热系数的测试和研讨发现，各种物质以及它们在各种物质导热系数的测试和研讨发现，各种物质以及它们在不同聚集形状时的导热系数的普通规律是：不同聚集形状时的导热系数的普通规律是： 如图如图6- 8所示，固体的导热系数比气体的大过四个数量级，所示，固体的导热系数比气体的大过四个数量级，这一特征是由于两者分子间距的差别很大所呵斥。固、液、这一特征是由于两者分子间距的差别很大所呵斥。固、液、气三态的热导机制中，热量传导的速度以电子碰撞的机制最气三态的热导机制中，热量传导的速度以电子碰撞的机制最快，声子碰撞次之，分子或原子碰撞最慢。金属晶体中，热快，声子碰撞次

43、之，分子或原子碰撞最慢。金属晶体中，热传导主要经过电子的相互作用和碰撞来实现的，声子的相互传导主要经过电子的相互作用和碰撞来实现的，声子的相互作用和碰撞传导较微小。结晶高聚物导热系数普通取决于声作用和碰撞传导较微小。结晶高聚物导热系数普通取决于声子的传导，当然也有构造缺陷、孔穴和无序区引起的原子和子的传导，当然也有构造缺陷、孔穴和无序区引起的原子和分子，乃至分子链段的相互作用和碰撞的奉献。因此，导热分子，乃至分子链段的相互作用和碰撞的奉献。因此，导热系数最小的是气体，而液体金属液体除外的导热系数大系数最小的是气体，而液体金属液体除外的导热系数大多是介于介电体和气体的导热系数之间。多是介于介电体

44、和气体的导热系数之间。 一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的普通热传导性质物质的普通热传导性质2导温系数导温系数 ：假设温度场随时间而变，这类情况下的热：假设温度场随时间而变，这类情况下的热量传播过程就称作量传播过程就称作“不稳定传热或不稳定传热或“非稳态传热。该过程非稳态传热。该过程的不稳定性是由物体焓的改动所引起的，且加热或冷却的景的不稳定性是由物体焓的改动所引起的，且加热或冷却的景象永远联络在一同。象永远联络在一同。 由于物体焓的变化速度和资料导热才干即导热系数由于物体焓的变化速度和资料导热才干即导热系数成成正比和储热才干即容积热容量正比和储热才干即容积热容量CP成反

45、比、所以在不稳成反比、所以在不稳定形状下的热过程速度决议于导温系数定形状下的热过程速度决议于导温系数，并有，并有，其中其中CP为定压比热；为定压比热；为密度。为密度。PC/一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的普通热传导性质物质的普通热传导性质3比热比热C：又称比热容，是物质的根本热物理性质，不仅：又称比热容，是物质的根本热物理性质，不仅是评价资料隔热性能的重要物理量，而且是对热过程、热系是评价资料隔热性能的重要物理量，而且是对热过程、热系统进展热计算和热设计的重要参数之一。对于瞬时或短期运统进展热计算和热设计的重要参数之一。对于瞬时或短期运用的高温防热资料，以及运用时间较长

46、的蓄热资料，都希望用的高温防热资料，以及运用时间较长的蓄热资料，都希望具有高的热容，以期在运用过程中吸收更多的热量。所谓热具有高的热容，以期在运用过程中吸收更多的热量。所谓热容是：物质的温度容是：物质的温度T升高一度所需求的热量升高一度所需求的热量Q。可分为。可分为:平均热容平均热容真热容真热容)/(12TTQCdTdQC/一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的普通热传导性质物质的普通热传导性质为表示单位质量物质的热容，又可分为比热容、克分子为表示单位质量物质的热容，又可分为比热容、克分子热容分子热和克原子热容原子热。热容分子热和克原子热容原子热。比热比热C的定义是使一克物质

47、升高一度所需的热量。的定义是使一克物质升高一度所需的热量。克分子热容克分子热容C0的定义是使一克分子物质升高一度所需求的热的定义是使一克分子物质升高一度所需求的热量量C0=MC，M为分子量。为分子量。克原子热容克原子热容C*的定义是使一克原子物质升高一度所需求的热的定义是使一克原子物质升高一度所需求的热量。量。一、物质的热物性与热传导一、物质的热物性与热传导3物质的普通热传导性质物质的普通热传导性质对同一物质特别是气体，比热的大小和加热时的温度、对同一物质特别是气体，比热的大小和加热时的温度、压强和体积有关。故比热又可分为定压比热压强和体积有关。故比热又可分为定压比热Cp和定容比热和定容比热C

48、v。物质定压比热物质定压比热Cp与定容比热与定容比热Cv的差值大小与该物质所处的形的差值大小与该物质所处的形状亲密相关。对于气体来说，压强不变升高温度时，因膨胀状亲密相关。对于气体来说，压强不变升高温度时，因膨胀而对外做功，需求吸收更多的热量，所以除升高气体温度所而对外做功，需求吸收更多的热量，所以除升高气体温度所需的热量外，还要多给一部分热量以补偿气体膨胀所作的功，需的热量外，还要多给一部分热量以补偿气体膨胀所作的功，因此气体的因此气体的Cp总比总比Cv要大。但是对于液体和固体来说，温度要大。但是对于液体和固体来说，温度升高一度时，体积几乎不变，所以在普通温度下其升高一度时，体积几乎不变，所

49、以在普通温度下其CpCv；在高温下，在高温下，Cp不等于不等于Cv。Cv值普通不能由实验直接测定，一值普通不能由实验直接测定，一切比热测试方法测出的都是切比热测试方法测出的都是Cp。在工程计算中运用的比热数。在工程计算中运用的比热数据普通都是据普通都是Cp值。值。二、热传导方程与热阻二、热传导方程与热阻 1各向同性资料的热传导方程各向同性资料的热传导方程在直角坐标系中微分方式的热传导方程是最常用的，其分为在直角坐标系中微分方式的热传导方程是最常用的，其分为稳态与时间无关和非稳态与时间有关通式。稳态与时间无关和非稳态与时间有关通式。各个方导游热系数一样的均匀物质，称为各向同性资料。思各个方导游热

50、系数一样的均匀物质，称为各向同性资料。思索一各向同性资料的热传导微元体索一各向同性资料的热传导微元体dx、dy、dz，如图，如图6- 9所示的该微元体位于三维直角坐标系所示的该微元体位于三维直角坐标系x, y, z中，思索温度中，思索温度场场T(x, y, z, t) 随时间随时间t变化的非稳定情况。按傅里叶热传导定变化的非稳定情况。按傅里叶热传导定律式律式6.6的通式：的通式：二、热传导方程与热阻二、热传导方程与热阻 2各向异性资料的热传导各向异性资料的热传导纤维及其纤维制品因在各个方向上的构造和陈列不同，因此纤维及其纤维制品因在各个方向上的构造和陈列不同，因此不同方向上的导热系数也不同，即

51、典型的各向异性体。晶体不同方向上的导热系数也不同，即典型的各向异性体。晶体中晶格的陈列方向不同和变化；纤维中分子陈列的取向；纤中晶格的陈列方向不同和变化；纤维中分子陈列的取向；纤维集合体中纤维本身陈列的方向性都将导致其导热系数随方维集合体中纤维本身陈列的方向性都将导致其导热系数随方向的不同而变化。向的不同而变化。温差是导热过程的驱动力。在均匀各向同性资料中，某一方温差是导热过程的驱动力。在均匀各向同性资料中，某一方向上的热流密度仅与该方向上的温度变化率有关。在各向异向上的热流密度仅与该方向上的温度变化率有关。在各向异性资料中，情况不完全一样。根据不可逆过程热力学的根本性资料中，情况不完全一样。

52、根据不可逆过程热力学的根本原理，许多不可逆过程都是物质某种性质的不均匀所引起的原理，许多不可逆过程都是物质某种性质的不均匀所引起的输运过程。其中，许多导热是由于温度分布的不均匀性引起输运过程。其中，许多导热是由于温度分布的不均匀性引起的热能保送过程，并存在交叉景象。为表达方便，令直角坐的热能保送过程，并存在交叉景象。为表达方便，令直角坐标系标系x1, x2, x3中，沿三个坐标轴方向的热流密度中，沿三个坐标轴方向的热流密度q = Q/A表示为：表示为：二、热传导方程与热阻二、热传导方程与热阻 3资料热传导中的热阻资料热传导中的热阻至此，我们留意到方程式至此，我们留意到方程式6.9展现了一个非常

53、有用而且重展现了一个非常有用而且重要的概念。详细说，在热传导和电荷迁移之间存在类似之处。要的概念。详细说，在热传导和电荷迁移之间存在类似之处。恰如电阻与导电一样，热阻也与热传导有关。众所周知，电恰如电阻与导电一样，热阻也与热传导有关。众所周知，电学中的欧姆定律学中的欧姆定律R = UI，阐明了电流，阐明了电流I、电位差、电位差U和电阻和电阻R三三者的关系。假设把傅里叶导热定律与欧姆定律相比较，那么者的关系。假设把傅里叶导热定律与欧姆定律相比较，那么热流量热流量Q就相当于电流；温度差就相当于电流；温度差T就相当于电位差；温差与就相当于电位差；温差与热流量之比就可称为热阻热流量之比就可称为热阻R，

54、即，即 。如图如图6- 11所示，可运用热阻概念，使一些此复杂的传热计算所示，可运用热阻概念，使一些此复杂的传热计算变得简单明了。下面将导出一些根本的稳态导热模型的热阻。变得简单明了。下面将导出一些根本的稳态导热模型的热阻。 1单层平壁热阻：单层平壁热阻：2对流换热边境热阻：对流换热边境热阻： 3接触接触热阻：热阻： 4稳态传热网络热阻：稳态传热网络热阻： QTR/三、导热机理三、导热机理由于气体、液体和固体作为热的导体或非导体的热传导机理，由于气体、液体和固体作为热的导体或非导体的热传导机理，本质上都是微观粒子，如原子、电子、分子和声子的相互作本质上都是微观粒子，如原子、电子、分子和声子的相

55、互作用与碰撞，因此，虽然性质和机理不同，但粒子化后的导热用与碰撞，因此，虽然性质和机理不同，但粒子化后的导热系数的数学表达方式，应该是一样的，差别应该只是其中物系数的数学表达方式，应该是一样的，差别应该只是其中物理量的涵义的不同。理量的涵义的不同。1分子导热机理分子导热机理2电子导热机理电子导热机理3 声子导热机理声子导热机理4光子导热机理光子导热机理3 声子导热机理声子导热机理 四、纤维资料的热传导机理四、纤维资料的热传导机理1导热机制的多重性导热机制的多重性纤维是一聚集态构造复杂、具有孔隙、大多能透光的物质，纤维是一聚集态构造复杂、具有孔隙、大多能透光的物质，因此根据前述热传导机理可将其内

56、部热传导的各种方式结合因此根据前述热传导机理可将其内部热传导的各种方式结合起来。由此可得多重机制的热传导系数表达式，起来。由此可得多重机制的热传导系数表达式， (6. 42)i分别表示四种不同的导热载体，如分子、电子、声子和光子。分别表示四种不同的导热载体，如分子、电子、声子和光子。对不同的物质来说，只是各种载体的所起的作用不同。对不同的物质来说，只是各种载体的所起的作用不同。2晶相与非晶相的导热规律晶相与非晶相的导热规律纤维普通为结晶和无序相的混合体，将晶体和非晶体的导热纤维普通为结晶和无序相的混合体，将晶体和非晶体的导热系数实际曲线放在一同对比，如图系数实际曲线放在一同对比，如图6- 14

57、所示，可发现其间的所示，可发现其间的关联与不同。关联与不同。iiivlvCi4131四、纤维资料的热传导机理四、纤维资料的热传导机理3多相复合资料的导热系数估算多相复合资料的导热系数估算1多相层合平板式模型：如图多相层合平板式模型：如图6- 15a，分两种传导方向：，分两种传导方向：热流方向与平板平行时，相当于热阻并联，而热导的串联，热流方向与平板平行时，相当于热阻并联，而热导的串联，即，即，其中其中V1，V2为两相各层的体积分数；为两相各层的体积分数；热流方向与平行板平面垂直相当于热阻串联，而热导的并热流方向与平行板平面垂直相当于热阻串联，而热导的并联为：联为：2211VVm22111VVm

58、四、纤维资料的热传导机理四、纤维资料的热传导机理3多相复合资料的导热系数估算多相复合资料的导热系数估算2两相分布模型：如图两相分布模型：如图6- 15 b和和c，总导热系数为，总导热系数为) 1/()1 (1) 12/()1 (21DCDCDDCDCDCmVV式中，式中，VD为分散相的体积百分数；为分散相的体积百分数；C为延续相导热系数；为延续相导热系数；D为分散相导热系数。为分散相导热系数。四、纤维资料的热传导机理四、纤维资料的热传导机理4多孔资料的导热系数及计算多孔资料的导热系数及计算1欧根欧根Eucken方程式：其原理就是根据不延续相与延方程式：其原理就是根据不延续相与延续相分布方式导出

59、。只是将续相分布方式导出。只是将6.43式中的不延续相的体积百式中的不延续相的体积百分数和导热系数表示为气孔的相应量。分数和导热系数表示为气孔的相应量。 (6. 44)式中，式中，p为多孔资料的总导热系数；为多孔资料的总导热系数；s为多孔资料的固相导为多孔资料的固相导热系数；热系数；a空气的导热系数；空气的导热系数； P为气孔的体积分数。为气孔的体积分数。2莱塞尔莱塞尔Russell方程：方程： (6. 45)并且将气体内辐射导热并且将气体内辐射导热r附加到空气导热附加到空气导热a上去，得上去，得a=a +r，代入上式更为理想。，代入上式更为理想。四、纤维资料的热传导机理四、纤维资料的热传导机

60、理4多孔资料的导热系数及计算多孔资料的导热系数及计算3洛勃洛勃LoeB方程：以上述研讨为根底，洛勃建立了多方程：以上述研讨为根底，洛勃建立了多孔资料更为准确的方程式孔资料更为准确的方程式i。在推导时方程式所用的气孔分。在推导时方程式所用的气孔分布物理模型为：布物理模型为： (6. 46)式中，式中，PC是垂直于热流方向截面上孔隙的分数；是垂直于热流方向截面上孔隙的分数；PL是热流方是热流方向上孔隙的分数；向上孔隙的分数； d孔洞在热流方向的最大尺寸；孔洞在热流方向的最大尺寸；孔洞辐射孔洞辐射外表的热发射率；外表的热发射率；斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；T为多孔资料的平为多孔资料的平