材料的热学性能-课件

4－2材料的热性能

ThermalPerformanceofMaterials

Thermal-physicalpropertiesthermalconductivityheatcapacitythermalexpensionheatresistanceThermal-chemicalpropertiesthermalStabilityflameretardancyChapter171ppt课件4－2材料的热性能

ThermalPerformanc4－2材料的热性能(thermalperformance)

热导率

热物理性能：比热容热膨胀耐热性

热化学性能：热稳定性燃烧特性4－2－1材料的热学性质(thermalproperty)1.热传递三种方式：热传导、热辐射、热对流2ppt课件4－2材料的热性能(thermalperformanc热传导－基本的传递方式

A自由电子（金属）

B晶格振动，离子和共价晶体（陶瓷）

C分子传导（高分子、小分子气体、液体）热流量q＝－(dT/dX)两平面稳态热流量（与时间无关）

q=

At(T1-T2)/d

式中A为平板面积,为热导率,t热传导的时间非稳态：=/CP·

式中为热扩散系数，m2.s-1；

CP为比热容；

为密度3ppt课件热传导－基本的传递方式3ppt课件2.热导率(thermalconductivity)定义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积上的热量

=-q/(dT/dX)

J.s-1.m-1.K-1或W.m-1.K-1金属

高自由电子无机非金属：

中晶格热振动高分子

很小，0.1-0.4之间银最高427合金40金刚石30玻璃

1

合金、孔隙结晶、温度4ppt课件2.热导率(thermalconductivity)银表4-2-1某些材料的热导率和比热容材料热导率W/（m·k）比热容J(kg·k)材料热导率W/（m·k）比热容J(kg·k)铝247900硅150

铜398389氧化铝30.1775金315130氧化镁37.7940铁80.4448尖晶石15.0790镍90443钠钙玻璃1.7840银428235聚乙烯

0.382100钨178142聚丙烯0.1218801025钢51.9486聚苯乙烯0.131360316不锈钢16.3502聚四氟乙烯0.251050黄铜120375酚醛树脂（电木）0.151650

尼龙-660.2416705ppt课件表4-2-1某些材料的热导率和比热容材料热导率比热容J(k4-28有一块面积为0.25m2、厚度为10mm的钢板热导率为

51.9W/(m*K)，两表面的温度分别为300℃和100℃，试计算该钢板每小时损失的热量？

Q=λA（T1-T2）/d=51.9*0.25*（300-100）/0.01=259.5KWQ=259.5*3600=934.2MJ6ppt课件4-28有一块面积为0.25m2、厚度为10mm的钢板热3、比热容（CP）或CVSpecificheat

材料对热量的吸收能力热容（heatcapacity)，将一摩尔材料的温度升高一度所需的能量（没有相变或化学反应）。单位为J/mol·K。体积恒定，所吸收的热量等于内能的增量

等容热容内能对温度的曲线上的斜率恒压，所吸收的热量等于焓的增量：

等压热容：焓对温度的曲线上的斜率固体多用CP

，J·mol-1·K-1。Cp>Cv。绝对零度时CP=CV=0RT相近

7ppt课件3、比热容（CP）或CVSpecificheat固体热容理论

原子的振动---晶格的振动

经典理论谐振子

量子理论随机振动

德拜模型晶体中原子的相互作用，弹性波的振动（声波）

Cv＝3RfD(θD/T)

θD:德拜温度，材料参数（简单晶体）德拜比热函数8ppt课件固体热容理论原子的振动---晶格的振动德拜比热函FIGURE17.1

Schematicrepresentationofthegenerationoflatticewavesinacrystalbymeansofatomicvibrations.9ppt课件FIGURE17.1Schematicrepresen比热（容）=热容/原子量，J·Kg-1·K-1

定义：1Kg质量的固体（或液体）升高（或降低）1C时，所增加（或减少）的（振动能量）热量

比热容与材料的组成和结构

金属

CP<1KJ·Kg-1·K-1，热容小，容易加热、容易冷却自由电子的贡献很小。无机非金属，同上，更符合德拜模型高分子

CP1.0~3.0

KJ·Kg-1·K-1，热容大不同的运动单元

原子、基团、链段分子链柔顺性温度的升高是由于分子间内摩擦引起的，柔性链，运动单元小内摩擦小,T上升慢，热容量大，

高弹态＞玻璃态10ppt课件比热（容）=热容/原子量，J·Kg-1·K-110pp比热容与温度T＞＞θD,Cv≈3RT＜＜θD,Cv＝12Rπ4(T/θD)3/5FIGURE17.2

Thetemperaturedependenceoftheheatcapacityatconstantvolume;DistheDebyetemperature.Chapter1711ppt课件比热容与温度T＞＞θD,Cv≈3R

比热容与相变

DSC——示差扫描量热仪DTA——差热分析TgCp发生突变一级相变二级相变12ppt课件比热容与相变一级相变4-2-2热膨胀性（ThermalExpension)1、热膨胀材料的体积或长度随温度升高而增大的现象原因：原子或分子的热运动

晶体：原子在晶格内平衡位置附近振动，

T，振幅，原子平均间距

非晶体：原子的振动和转变。高分子沿主链振动；链节、链段，转动；自由体积—运动的空间13ppt课件4-2-2热膨胀性（ThermalExpension)FIGURE17.3

(a)Plotofpotentialenergyversusinteratomicdistance,demonstratingtheincreaseininteratomicseparationwithrisingtemperature.Withheating,theinteratomicseparationincreasesfromr0tor1tor2,andsoon.(b)Forasymmetricpotentialenergy-versus-interatomicdistancecurve,thereisnoincreaseininteratomicseparationwithrisingtemperature(i.e.,r1

r2

r3).14ppt课件FIGURE17.3(a)Plotofpotent2、热膨胀类型(coefficientofthermalexpansion)CTE

线膨胀

l=(1/l)dl/dT

体膨胀

V=(1/V)dV/dT影响因素

①温度

T升高，增大

②结构键能大，减小无机材料

小，10-5~10-6

金属中，1~3×10-5

高分子大，2.5~25×10-5

取向交联度减小晶格类型、结晶度柔顺性刚性，

柔性，

15ppt课件2、热膨胀类型(coefficientofthermal表4-2-2各种材料的线膨胀系数材料名称线膨胀系数×105,K-1材料名称线膨胀系数×105,K-1玻璃0.1~1.0聚苯乙烯7陶瓷0.45聚甲基丙烯酸甲酯8~9石英玻璃0.1尼龙10硬质玻璃0.3聚乙烯17光学玻璃0.8聚氯乙烯19钢1.2纤维素的酯及醚类6~17黄铜1.9石墨0.79铝2.4金刚石0.12环氧树脂6~7氯化橡胶12~13酚醛树脂（填充木粉）3氯丁橡胶20.0脲醛树脂2.5~3丁腈橡胶19.6聚酯树脂8~10丁基橡胶19.4木材（顺纤维方向）0.2~0.6丁苯橡胶21.6木材（横纤维方向）3.25~6.2聚乙烯醇7~12碳化天然橡胶8聚乙烯醇缩醛8~2216ppt课件表4-2-2各种材料的线膨胀系数材料名称线膨胀系数×4-2-3耐热性（HeatResistance)1、概念：

耐热性——指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度。材料的使用上限温度

高分子材料常温及中温条件下使用，<500C，一般170C。

钢——550C；合金——900C；石墨——3000C。

陶瓷——2000C。2、耐热性表征（高分子材料）

物理状态

Tg

无定形

Tm结晶工业表征方法及指标σ、ε

马丁耐热温度热变形温度维卡软化温度17ppt课件4-2-3耐热性（HeatResistance)1、概念第四章18ppt课件第四章18ppt课件屈服脆韧转变FIGURE7.25Schematictensilestress–straincurveforasemicrystallinepolymer.Specimencontoursatseveralstagesofdeformationareincluded.Chapter7?19ppt课件屈服FIGURE7.25Schematictensil3、影响因素Ⅰ结构因素：刚性链结晶交联Ⅱ分子量Ⅲ增塑剂Ⅳ填料，纤维增强20ppt课件3、影响因素20ppt课件4-2-4热稳定性(thermalStability)1、表征方法

起始分解温度（Td）：聚合物化学结合（结构）开始发生变化的温度常采用相对标准

（1）半分解温度（2）热失重曲线（TG）比较曲线给定温度下的失重给定失重的温度起始分解温度（外推）（3）DSC和DTA：热焓的变化不可逆21ppt课件4-2-4热稳定性(thermalStability)12、热稳定性与结构的关系

k=Ae(-E/RT)3、热分解机理

(1)只受热（惰性气体，或真空中）大分子链成自由基。开链——单体；PMMA

随机断链。(2)热氧分解

氧（环境）参加分解快22ppt课件2、热稳定性与结构的关系22ppt课件23ppt课件23ppt课件4-2-5燃烧特性Flammability有机材料、有机聚合物（含C、H元素）

1、高分子材料引燃和燃烧ignitionandburning燃烧：较高温度下与氧剧烈反应，并发出热和光。引燃过程：外部热原分解固体材料的表面层；产生可燃气化物，与空气混合——致燃烧燃烧过程：材料不断热分解，始终在表面空气中燃烧，无残渣。条件：温度、氧气（空气）放热反应24ppt课件4-2-5燃烧特性Flammability有机材料、有机2、材料的燃烧特性

燃烧速度燃烧反应放热值3、临界氧指数

LimitingOxygenIndex(LOI)

能够维持稳定燃烧的最小氧浓度

>0.27的聚合物是有自熄性self-extinguish(1)

仅由C、H、O元素组成，临界氧指数为0.16~0.18(2)

含卤族元素（F、Cl、Br、I），临界氧指数大于0.40(3)

含磷、氮等元素，临界氧指数高

?阻燃25ppt课件2、材料的燃烧特性燃烧速度25ppt课件表4-16聚合物的燃烧速度，mm/min聚合物燃烧速度聚合物燃烧速度聚乙烯7.5~30.5硝酸纤维素迅速燃烧聚丙烯17.3~40.6醋酸纤维素12.7~30.3聚丁烯27.9氯化聚乙烯自熄聚苯乙烯12.7~63.5PVC自熄苯乙烯-丙烯腈共聚物10.2~40.6聚偏二氯乙烯自熄ABS25.4~50.2尼龙自熄PMMA15.0~40.6脲醛树脂自熄PC自熄聚四氟乙烯不燃聚砜自熄

26ppt课件表4-16聚合物的燃烧速度，mm/min聚合物燃烧速表4-17高分子材料的燃烧发热值，KJ/g名称燃烧发热值名称燃烧发热值软质PVC46.6PVC13~23硬质PVC45.8赛璐咯17.3聚丙烯43.9酚醛树脂13.4聚苯乙烯40.1聚四氟乙烯4.2ABS35.2玻璃纤维增强塑料18.8聚酰胺30.8氯丁橡胶23.4~32.6聚碳酸酯30.5煤23.0PMMA26.2木材14.6

27ppt课件表4-17高分子材料的燃烧发热值，KJ/g名称燃烧发表4-18

几种聚合物的氧指数聚合物氧指数聚合物氧指数聚乙烯17.4~17.5聚乙烯醇22.5聚丙烯17.4聚苯乙烯18.1氯化聚乙烯21.1PMMA17.3PVC15~49聚碳酸酯26~22聚四氟乙烯79.5环氧树脂19.3聚酰胺26.7氯丁橡胶26.3软质PVC23~40硅橡胶26~3928ppt课件表4-18几种聚合物的氧指数聚合物氧指数聚合物氧指数4、高分子材料的阻燃

flameretardancy

结构和组成

提高热稳定性引入卤族、磷、氮等元素

阻燃剂和无机填料

吸收热量降低温度隔离氧29ppt课件4、高分子材料的阻燃flameretardancy24－2材料的热性能

ThermalPerformanceofMaterials

Thermal-physicalpropertiesthermalconductivityheatcapacitythermalexpensionheatresistanceThermal-chemicalpropertiesthermalStabilityflameretardancyChapter1730ppt课件4－2材料的热性能

ThermalPerformanc4－2材料的热性能(thermalperformance)

热导率

热物理性能：比热容热膨胀耐热性

热化学性能：热稳定性燃烧特性4－2－1材料的热学性质(thermalproperty)1.热传递三种方式：热传导、热辐射、热对流31ppt课件4－2材料的热性能(thermalperformanc热传导－基本的传递方式

A自由电子（金属）

B晶格振动，离子和共价晶体（陶瓷）

C分子传导（高分子、小分子气体、液体）热流量q＝－(dT/dX)两平面稳态热流量（与时间无关）

q=

At(T1-T2)/d

式中A为平板面积,为热导率,t热传导的时间非稳态：=/CP·

式中为热扩散系数，m2.s-1；

CP为比热容；

为密度32ppt课件热传导－基本的传递方式3ppt课件2.热导率(thermalconductivity)定义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积上的热量

=-q/(dT/dX)

J.s-1.m-1.K-1或W.m-1.K-1金属

高自由电子无机非金属：

中晶格热振动高分子

很小，0.1-0.4之间银最高427合金40金刚石30玻璃

1

合金、孔隙结晶、温度33ppt课件2.热导率(thermalconductivity)银表4-2-1某些材料的热导率和比热容材料热导率W/（m·k）比热容J(kg·k)材料热导率W/（m·k）比热容J(kg·k)铝247900硅150

铜398389氧化铝30.1775金315130氧化镁37.7940铁80.4448尖晶石15.0790镍90443钠钙玻璃1.7840银428235聚乙烯

0.382100钨178142聚丙烯0.1218801025钢51.9486聚苯乙烯0.131360316不锈钢16.3502聚四氟乙烯0.251050黄铜120375酚醛树脂（电木）0.151650

尼龙-660.24167034ppt课件表4-2-1某些材料的热导率和比热容材料热导率比热容J(k4-28有一块面积为0.25m2、厚度为10mm的钢板热导率为

51.9W/(m*K)，两表面的温度分别为300℃和100℃，试计算该钢板每小时损失的热量？

Q=λA（T1-T2）/d=51.9*0.25*（300-100）/0.01=259.5KWQ=259.5*3600=934.2MJ35ppt课件4-28有一块面积为0.25m2、厚度为10mm的钢板热3、比热容（CP）或CVSpecificheat

材料对热量的吸收能力热容（heatcapacity)，将一摩尔材料的温度升高一度所需的能量（没有相变或化学反应）。单位为J/mol·K。体积恒定，所吸收的热量等于内能的增量

等容热容内能对温度的曲线上的斜率恒压，所吸收的热量等于焓的增量：

等压热容：焓对温度的曲线上的斜率固体多用CP

，J·mol-1·K-1。Cp>Cv。绝对零度时CP=CV=0RT相近

36ppt课件3、比热容（CP）或CVSpecificheat固体热容理论

原子的振动---晶格的振动

经典理论谐振子

量子理论随机振动

德拜模型晶体中原子的相互作用，弹性波的振动（声波）

Cv＝3RfD(θD/T)

θD:德拜温度，材料参数（简单晶体）德拜比热函数37ppt课件固体热容理论原子的振动---晶格的振动德拜比热函FIGURE17.1

Schematicrepresentationofthegenerationoflatticewavesinacrystalbymeansofatomicvibrations.38ppt课件FIGURE17.1Schematicrepresen比热（容）=热容/原子量，J·Kg-1·K-1

定义：1Kg质量的固体（或液体）升高（或降低）1C时，所增加（或减少）的（振动能量）热量

比热容与材料的组成和结构

金属

CP<1KJ·Kg-1·K-1，热容小，容易加热、容易冷却自由电子的贡献很小。无机非金属，同上，更符合德拜模型高分子

CP1.0~3.0

KJ·Kg-1·K-1，热容大不同的运动单元

原子、基团、链段分子链柔顺性温度的升高是由于分子间内摩擦引起的，柔性链，运动单元小内摩擦小,T上升慢，热容量大，

高弹态＞玻璃态39ppt课件比热（容）=热容/原子量，J·Kg-1·K-110pp比热容与温度T＞＞θD,Cv≈3RT＜＜θD,Cv＝12Rπ4(T/θD)3/5FIGURE17.2

Thetemperaturedependenceoftheheatcapacityatconstantvolume;DistheDebyetemperature.Chapter1740ppt课件比热容与温度T＞＞θD,Cv≈3R

比热容与相变

DSC——示差扫描量热仪DTA——差热分析TgCp发生突变一级相变二级相变41ppt课件比热容与相变一级相变4-2-2热膨胀性（ThermalExpension)1、热膨胀材料的体积或长度随温度升高而增大的现象原因：原子或分子的热运动

晶体：原子在晶格内平衡位置附近振动，

T，振幅，原子平均间距

非晶体：原子的振动和转变。高分子沿主链振动；链节、链段，转动；自由体积—运动的空间42ppt课件4-2-2热膨胀性（ThermalExpension)FIGURE17.3

(a)Plotofpotentialenergyversusinteratomicdistance,demonstratingtheincreaseininteratomicseparationwithrisingtemperature.Withheating,theinteratomicseparationincreasesfromr0tor1tor2,andsoon.(b)Forasymmetricpotentialenergy-versus-interatomicdistancecurve,thereisnoincreaseininteratomicseparationwithrisingtemperature(i.e.,r1

r2

r3).43ppt课件FIGURE17.3(a)Plotofpotent2、热膨胀类型(coefficientofthermalexpansion)CTE

线膨胀

l=(1/l)dl/dT

体膨胀

V=(1/V)dV/dT影响因素

①温度

T升高，增大

②结构键能大，减小无机材料

小，10-5~10-6

金属中，1~3×10-5

高分子大，2.5~25×10-5

取向交联度减小晶格类型、结晶度柔顺性刚性，

柔性，

44ppt课件2、热膨胀类型(coefficientofthermal表4-2-2各种材料的线膨胀系数材料名称线膨胀系数×105,K-1材料名称线膨胀系数×105,K-1玻璃0.1~1.0聚苯乙烯7陶瓷0.45聚甲基丙烯酸甲酯8~9石英玻璃0.1尼龙10硬质玻璃0.3聚乙烯17光学玻璃0.8聚氯乙烯19钢1.2纤维素的酯及醚类6~17黄铜1.9石墨0.79铝2.4金刚石0.12环氧树脂6~7氯化橡胶12~13酚醛树脂（填充木粉）3氯丁橡胶20.0脲醛树脂2.5~3丁腈橡胶19.6聚酯树脂8~10丁基橡胶19.4木材（顺纤维方向）0.2~0.6丁苯橡胶21.6木材（横纤维方向）3.25~6.2聚乙烯醇7~12碳化天然橡胶8聚乙烯醇缩醛8~2245ppt课件表4-2-2各种材料的线膨胀系数材料名称线膨胀系数×4-2-3耐热性（HeatResistance)1、概念：

耐热性——指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度。材料的使用上限温度

高分子材料常温及中温条件下使用，<500C，一般170C。

钢——550C；合金——900C；石墨——3000C。

陶瓷——2000C。2、耐热性表征（高分子材料）

物理状态

Tg

无定形

Tm结晶工业表征方法及指标σ、ε

马丁耐热温度热变形温度维卡软化温度46ppt课件4-2-3耐热性（HeatResistance)1、概念第四章47ppt课件第四章18ppt课件屈服脆韧转变FIGURE7.25Schematictensilestress–straincurveforasemicrystallinepolymer.Specimencontoursatseveralstagesofdeformationareincluded.Chapter7?48ppt课件屈服FIGURE7.25Schematictensil3、影响因素Ⅰ结构因素：刚性链结晶交联Ⅱ分子量Ⅲ增塑剂Ⅳ填料，纤维增强49ppt课件3、影响因素20ppt课件4-2-4热稳定性(thermalStability)1、表征方法

起始分解温度（Td）：聚合物化学结合（结构）开始发生变化的温度常采用相对标准

（1）半分解温度（2）热失重曲线（TG）比较曲线给定温度下的失重给定失重的温度起始分解温度（外推）（3）DSC和DTA：热焓的变化不可逆50ppt课件4-2-4热稳定性(thermalStability)12、热稳定性与结构的关系

k=Ae(-E/RT)3、热分解机理

(1)只受热（惰性气体，或真空中）大分子链成自由基。开链——单体；