无机材料的热性能学习教案

1、会计学1无机材料无机材料(cilio)的热性能的热性能第一页，共134页。特殊的要求，如：n低膨胀率的材料：微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等；n一定的热膨胀系数：电真空分装材料；n极高的膨胀系数：热敏元件；n优异的隔热性能：工业炉衬，建筑材料、航天飞机隔热材料；n优异的导热性能：燃气轮机叶片、晶体管散热器等等。第1页/共133页第二页，共134页。),.,3 , 2 , 1 , 0()2/1(nhnEn式中第2页/共133页第三页，共134页。的方便。h第3页/共133页第四页，共134页。TTQC)(TQCT0lim,QT第一节第一节 无机无机(wj)材料的热容材料的热容第4页/共1

2、33页第五页，共134页。m1TTQ12均Cm1TQ真C第5页/共133页第六页，共134页。nVPCCVVVTETQC)()(PPPTHTQC)()(第6页/共133页第七页，共134页。压缩系数VdPdVVdTdV/02TVCCVP第7页/共133页第八页，共134页。第8页/共133页第九页，共134页。元元素素HBCOFSiPSClCP9.611.37.516.720.915.922.522.520.4第9页/共133页第十页，共134页。子数；n Ci元素 i 的摩尔热容(r rn)。第10页/共133页第十一页，共134页。RTNkTE33第11页/共133页第十二页，共134页。

3、)/(2533)(molkJRNkTECVV第12页/共133页第十三页，共134页。n)/(252molkJCV)/(253molkJCV第13页/共133页第十四页，共134页。第14页/共133页第十五页，共134页。kTEEiieCNCkTEie第15页/共133页第十六页，共134页。化简得：0)21(0)21( C)21(nkThnnkThniiieCehnEikThihehEi211第16页/共133页第十七页，共134页。NiikThiNiihehEEi313121122311kThkThNiiVViieekThkTECv这就是按照量子理论求得的热容表达式。但要计算CV必须知道

4、谐振子的频谱非常困难，一般采用简化的爱因斯坦模型(mxng)和德拜模型(mxng)来处理。第17页/共133页第十八页，共134页。热函数(hnsh)，令爱因斯坦温度。TRfeeTReekThNkCEETTEkThkThiVEEii31313222)(kThfeEEkh第18页/共133页第十九页，共134页。(mxng)与杜隆珀替公式相一致。ETTTTTeEEEETE1)(! 31)(! 21132RNkTeTNkCETEVE33)()(322第19页/共133页第二十页，共134页。ET1TEe第20页/共133页第二十一页，共134页。振动着的，原子振动间有着(yu zhe)耦合作用，当

5、温度很低时，这一效应尤其显著。第21页/共133页第二十二页，共134页。同的频率v；n忽略了低温时低频率振动(zhndng)对热容的贡献。第22页/共133页第二十三页，共134页。具有频率从0到截止频率vmax的谱带。高于vmax的不在声频支范围而在光频支范围，对热容贡献很小，可以忽略不计。第23页/共133页第二十四页，共134页。德拜比热(br)函数nn其中TxxDDDDdxexeTTf0 243) 1()(3)()(3TNkfCDDVkThxmax11108 . 4khD第24页/共133页第二十五页，共134页。这表明当T0时，CV与T3成正比并趋于0，这就是德拜T3定律。它与实验

6、(shyn)结果十分吻合，温度越低，近似越好。34)(512DVTNkCDTRNkCV33DT第25页/共133页第二十六页，共134页。第26页/共133页第二十七页，共134页。毕竟(bjng)不是连续体。n对于金属类晶体，没有考虑自由电子对热容的贡献。n德拜模型解释不了超导现象。第27页/共133页第二十八页，共134页。n-线，这些材料的D约为熔点（热力学温度）的0.2-0.5倍。第28页/共133页第二十九页，共134页。第29页/共133页第三十页，共134页。-曲线基本重合。n相变时，由于热量的不连续变化，所以(suy)热容也出现了突变。第30页/共133页第三十一页，共134页

7、。2cTbTaCP第31页/共133页第三十二页，共134页。第32页/共133页第三十三页，共134页。热容。n对于多相复合材料，有如下公式：n式中，gi为第i种组成的质量分数，Ci为第i种组成的热容。iiCnCiiCgC第33页/共133页第三十四页，共134页。)1 (00TllllTTll0第34页/共133页第三十五页，共134页。值。K/101065)1 (0TVVT第35页/共133页第三十六页，共134页。与上式比较，就有以下近似关系：)31 (0TVVT303303)1 ()1 (TVTllVTT23第36页/共133页第三十七页，共134页。)1)(1)(1 (000TTT

8、llllllVcbacbacTbTaTT)(1 0TVVcbaTcba第37页/共133页第三十八页，共134页。TllTVV第38页/共133页第三十九页，共134页。上。n指导多晶多相材料、复合材料的选材、用材。n热膨胀系数与材料的热稳定性直接相关。第39页/共133页第四十页，共134页。大。第40页/共133页第四十一页，共134页。简单的与位移成正比，点势能曲线也是非对称的。n材料热膨胀的本质，归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。第41页/共133页第四十二页，共134页。n当r=r0时，斥力与引力相等；n当rr0时，引力随位移的增大要慢一些。第42页/共133页第四十

9、三页，共134页。(pngjn)距离就增加的多，导致微观上晶胞参数增大，宏观上表现为晶体的膨胀。第43页/共133页第四十四页，共134页。第44页/共133页第四十五页，共134页。就变得重要了。第45页/共133页第四十六页，共134页。第46页/共133页第四十七页，共134页。第47页/共133页第四十八页，共134页。第48页/共133页第四十九页，共134页。度时的体积(tj)弹性模量。对于一般材料来说，r值在1.52.5之间。VKrCV0l3VKrCV0第49页/共133页第五十页，共134页。第50页/共133页第五十一页，共134页。第51页/共133页第五十二页，共134页

10、。第52页/共133页第五十三页，共134页。第53页/共133页第五十四页，共134页。烧成后的冷却过程中可能会产生内应力（我们实际应用中可以利用这一点，例如，选择釉层的热膨胀系数比坯体的小）。第54页/共133页第五十五页，共134页。第55页/共133页第五十六页，共134页。的近似式：第56页/共133页第五十七页，共134页。因此有时会测得一个多晶聚集体或复合体出现热膨胀的滞后现象。n晶体内的微裂纹可以发生在晶粒内和晶界上，但最常见的还是在晶界上，晶界上应力的发展是与晶粒大小有关的。因而晶界裂纹和热膨胀系数滞后主要是发生在大晶粒样品中。第57页/共133页第五十八页，共134页。时还

11、认为这一压应力，也抑制了釉层的微裂纹及阻碍其发展，因而使强度提高。n反之，当釉层的膨胀系比坯大，则在釉层中形成张应力，对强度不利，而且过大的张应力还会使釉层龟裂。n同样釉层的膨胀系数也不能比坯小得太多，否则会使釉层剥落而造成缺陷。讨论题：热膨胀系数讨论题：热膨胀系数(png zhng xsh)与坯釉适应性与坯釉适应性第58页/共133页第五十九页，共134页。第59页/共133页第六十页，共134页。第60页/共133页第六十一页，共134页。第61页/共133页第六十二页，共134页。由于在此温度转变量急剧增加，曲线上出现明显的拐折。n拐折点对应于有序无序转变的上临界温度，通常称有序无序转变

12、温度。n有序化会使原子之间的结合力增强，导致膨胀系数变小。第62页/共133页第六十三页，共134页。第63页/共133页第六十四页，共134页。第64页/共133页第六十五页，共134页。0.510-6/K合物都具有比玻璃大的膨胀系数。第65页/共133页第六十六页，共134页。第66页/共133页第六十七页，共134页。第67页/共133页第六十八页，共134页。第68页/共133页第六十九页，共134页。式和机械式。n热膨胀对于研究材料的组织转变具有独特的贡献。第69页/共133页第七十页，共134页。一、固体材料热传导的宏观一、固体材料热传导的宏观(hnggun)规律规律第70页/共1

13、33页第七十一页，共134页。xTq第71页/共133页第七十二页，共134页。ndQ/dt为热量(rling)迁移率，dT/dx为温度梯度。xTStQdxdTSdtdQ第72页/共133页第七十三页，共134页。第73页/共133页第七十四页，共134页。第74页/共133页第七十五页，共134页。第75页/共133页第七十六页，共134页。CVl31第76页/共133页第七十七页，共134页。固体热导率的形式为：dvvVlvC)()(31第77页/共133页第七十八页，共134页。第78页/共133页第七十九页，共134页。n是辐射线在介质中的速度(sd)。n将两式代入固体导热的一般式，可

14、得：CTnET/443CTnTECv3316)(nCVrrrrrrlTnlVC3231631第79页/共133页第八十页，共134页。辐热线是比较透明的，因此在7731273K时，辐射传热很明显。但对大多数烧结陶瓷来说，是半透明的或不透明的，其lr要比单晶和玻璃(b l)小很多，因此，一些耐火材料在1773K的高温下辐射传热才明显。第80页/共133页第八十一页，共134页。积间温度高的体积元辐射的能量大，而吸收的能量较小，温度低的体积元情况相反。因此产生能量的转移，以致整个介质中热量会从高温处向低温处传递。第81页/共133页第八十二页，共134页。CVl31第82页/共133页第八十三页，

15、共134页。n声子平均自由程l随温度的变化规律：随着温度的升高，l减小；低温下l值的上限为晶粒的线度，高温时l值的下限为晶格间距。如图4-10所示。第83页/共133页第八十四页，共134页。第84页/共133页第八十五页，共134页。第85页/共133页第八十六页，共134页。第86页/共133页第八十七页，共134页。晶界处杂质也多，声子更易受到散射，平均自由程就要(ji yo)小得多，所以热导率小。第87页/共133页第八十八页，共134页。第88页/共133页第八十九页，共134页。第89页/共133页第九十页，共134页。样凡是轻的元素的固体或有大的结合能的固体热导率较大。第90页/

16、共133页第九十一页，共134页。第91页/共133页第九十二页，共134页。无关。第92页/共133页第九十三页，共134页。第93页/共133页第九十四页，共134页。111121210dcdcddcdcd第94页/共133页第九十五页，共134页。第95页/共133页第九十六页，共134页。第96页/共133页第九十七页，共134页。第97页/共133页第九十八页，共134页。第98页/共133页第九十九页，共134页。第99页/共133页第一百页，共134页。、。n适用的温度范围：氧化铝和氧化镁使室温到2073K，氧化铍是1273K2073K。1036105 . 8125TTA第100

17、页/共133页第一百零一页，共134页。dcT )1 (0bT第101页/共133页第一百零二页，共134页。而损坏。抵抗这类破坏的性能称为(chnwi)抗热震损伤性。第102页/共133页第一百零三页，共134页。第103页/共133页第一百零四页，共134页。第104页/共133页第一百零五页，共134页。第105页/共133页第一百零六页，共134页。第106页/共133页第一百零七页，共134页。第107页/共133页第一百零八页，共134页。TETTEllEll) ()(0第108页/共133页第一百零九页，共134页。的抗拉强度时，杆被拉断。n习惯上，张应力定为正值，压应力为负值。

18、第109页/共133页第一百一十页，共134页。到限制，产生了热应力。物体迅速加热时，外表受压应力，而内部受到拉应力。材料迅速冷却时，外表受拉应力，内部受压应力。第110页/共133页第一百一十一页，共134页。TTEazy1第111页/共133页第一百一十二页，共134页。第112页/共133页第一百一十三页，共134页。第113页/共133页第一百一十四页，共134页。TElzx1第114页/共133页第一百一十五页，共134页。n越大，则材料能承受的温度变化越大，抗热震断裂性也就越好。maxzxmaxTETlf)1 (max第115页/共133页第一百一十六页，共134页。ERlf)1

19、(1f第116页/共133页第一百一十七页，共134页。定义为第二热应力因子。12)1 (RERlf bhEfRfT1第117页/共133页第一百一十八页，共134页。bhRf1 Rf第118页/共133页第一百一十九页，共134页。通风会使降温的材料砸裂。h值大，表面层温差大，材料被损坏的危险性增大。第119页/共133页第一百二十页，共134页。第120页/共133页第一百二十一页，共134页。定义为材料的导温系数，表征材料在温度变化时内部各部分温度趋于均匀的能力。a越大，愈有利于热稳定性。2max3)1 ()(bCEdtdTlfCa第121页/共133页第一百二十二页，共134页。n这是材料能经受得最大降温速率，陶瓷烧成时，不能超过此值，否则(fuz)会发生制品炸裂。n适用于玻璃，陶瓷和电子陶瓷。CRRCECEaRlflf213)1 ()1 (23max3)(bRdtdT第122页/共133页第一百二十三页，共134页。第123页/共133页第一百二十四页，共134页。nR4：材料中储存的弹性应变能的倒数，用来比较具有相同断裂表面能材料的抗热震损伤性。nR5：用来比较具有不同