材料的热传导与热稳定性课件

材料的热传导与热稳定性基本概念：热传导(热能工程、制冷技术、燃汽轮机叶片散热）热导率（λ）-热阻率ω=1/λ热扩散率（α）基本规律：傅立叶（Fourier）定律：魏德曼-弗兰兹定律：材料的热传导与热稳定性基本概念：基本规律：1材料的热传导热导率λ(ThermalConductivity）：（1）稳定传热过程:定义傅立叶（Fourier）定律：热传导:材料中热量由高温向低温区域传递的现象。单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。λ导热能力。材料的热传导热导率λ（1）稳定传热过程:定义傅立叶（Four2常温下不同材料的热导率λ铝：205；铜：385；银：414；钢：46；冰：1.674；混泥土：0.837；玻璃：0.837；木材：0.084；氢气：0.138；氧气：0.0234；空气：0.024.常温下不同材料的热导率λ铝：205；铜：385；银：414；3材料的热传导对于一个外界无热交换，本身又存在温度梯度的物体，单位面积上的温度随时间的变化率为:定义热扩散率：（1）不稳定传热过程:导热能力：λ储热能力：Cv热扩散率：α魏德曼-弗兰兹定律：许多金属的热导率与电导率之比与温度成正比：λ/σ=LT材料的热传导对于一个外界无热交换，本身又存在温度定义热扩散率4固体材料热传导的微观机理固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。金属：主要是电子导热为主，合金/半导体：电子/声子导热，绝缘体：声子导热热传导过程：材料内部的能量传输过程能量的载体：电子（德布罗意波）声子（格波）：声频波的量子光子（电磁波）固体材料热传导的微观机理固体导热：电子导热，声子导热和光子导5热传导的物理机制声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。热阻：

声子扩散过程中的各种散射。热传导系数λ：其中，c：声子比热容；v：声子传播速度；l：声子平均自由程。热传导的物理机制声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过6声子和声子导热微观机理格波的传播看成是质点-声子的运动；格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞；格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为声子同晶体质点的碰撞；理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。晶体中，热传导的实质就是碰撞。

声子和声子导热微观机理格波的传播看成是质点7光子的导热：光子在介质中的传播过程（光的散射、衍射、吸收、反射和折射）热辐射：热射线的传递过程（可见光与部分近红外光的区域）光子和光子导热

微观机理光子的导热：光子在介质中的传播过程热辐射：热射线的传递过8影响热导率的因素温度的影响显微结构的影响化学组成的影响气孔的影响影响热导率的因素温度的影响9温度的影响

温度较低时，主要是声子传导自由程则有随温度的升高而迅速降低的特点高温时,λ则迅速降低，在40K附近，出现极大值。当达到1600K时，由于辐射传热，λ又有所升高

热导率随温度的变化温度的影响温度较低时，主要是声子传导热导率随温度10显微结构的影响几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系显微结构的影响几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系11显微结构的影响晶体和非晶体材料的导热系数曲线显微结构的影响晶体和非晶体材料的导热系数曲线12化学组成的影响MgO-NiO的固溶体的热导率化学组成的影响MgO-NiO的固溶体的热导率13导热系数测量方法及仪器稳态方法:1.热流法导热仪：2.保护热流法导热仪：3.保护热板法导热仪：动态（瞬时）测量法热线法：激光闪射法：导热系数测量方法及仪器稳态方法:14热流法测量原理NETZSCHHFM436Lambda热流法导热仪，适用于绝热材料。热流法测量原理NETZSCHHFM436Lambda热15保护热流法导热仪：保护热流法导热仪保护热板法导热仪:保护热板法导热仪保护热流法导热仪：保护热流法导热仪保护热板法导热仪:保护热板16动态（瞬时）测量法NETZSCHLFA447激光导热仪动态（瞬时）测量法NETZSCHLFA447激光导热仪17材料的热稳定性抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂；抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。

热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。热冲击损坏的类型：材料的热稳定性热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（18热稳定性的表示方法1.一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度℃表示。（日用瓷）2.试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次数n表示。耐火材料：1123K；40min；283－293K；3(5－!0)min3.试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。热稳定性的表示方法1.一定规格的试样，加热到一定温度，19热应力的产生热应力：由于温度变化而引起的应力在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞后现象------膨胀系数低于单晶的膨胀系数。例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。热应力的产生热应力：由于温度变化而引起的应力在复合体中，由于2004008001200温度（0C）0.80.60.40.20.0膨胀（%）由于存在显微裂纹而引起的多晶的热膨胀滞后现象1.热应力的产生（1）热膨胀或收缩引起的热应力当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力------（显微应力）。04008001221淬火钢的回火I:80~160℃：体积收缩，ε相碳化物析出，马氏体正方度下降。II:230~280℃：体积膨胀，残奥分解。III:260~360℃：体积收缩，马氏体分解为铁素体和碳化铁。535℃回火：200℃出现拐折，表明回火钢转变为铁素体和渗碳体（弱铁磁相）。淬火钢的回火I:80~160℃：体积收缩，ε相碳22抗热冲击断裂性能热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般有如下规律:热导率越高，传热越快，有利于热稳定;传热途径(通道)短，易使材料中的温度均匀;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。抗热冲击断裂性能热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为23提高抗热冲击断裂性能的措施提高应力强度σ，减小弹性模量E提高材料的热导率减小材料的膨胀系数减少材料表面热传递系数减小产品的有效厚度提高抗热冲击断裂性能的措施提高应力强度σ，减小弹性模量E24材料的热传导与热稳定性基本概念：热传导(热能工程、制冷技术、燃汽轮机叶片散热）热导率（λ）-热阻率ω=1/λ热扩散率（α）基本规律：傅立叶（Fourier）定律：魏德曼-弗兰兹定律：材料的热传导与热稳定性基本概念：基本规律：25材料的热传导热导率λ(ThermalConductivity）：（1）稳定传热过程:定义傅立叶（Fourier）定律：热传导:材料中热量由高温向低温区域传递的现象。单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。λ导热能力。材料的热传导热导率λ（1）稳定传热过程:定义傅立叶（Four26常温下不同材料的热导率λ铝：205；铜：385；银：414；钢：46；冰：1.674；混泥土：0.837；玻璃：0.837；木材：0.084；氢气：0.138；氧气：0.0234；空气：0.024.常温下不同材料的热导率λ铝：205；铜：385；银：414；27材料的热传导对于一个外界无热交换，本身又存在温度梯度的物体，单位面积上的温度随时间的变化率为:定义热扩散率：（1）不稳定传热过程:导热能力：λ储热能力：Cv热扩散率：α魏德曼-弗兰兹定律：许多金属的热导率与电导率之比与温度成正比：λ/σ=LT材料的热传导对于一个外界无热交换，本身又存在温度定义热扩散率28固体材料热传导的微观机理固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。金属：主要是电子导热为主，合金/半导体：电子/声子导热，绝缘体：声子导热热传导过程：材料内部的能量传输过程能量的载体：电子（德布罗意波）声子（格波）：声频波的量子光子（电磁波）固体材料热传导的微观机理固体导热：电子导热，声子导热和光子导29热传导的物理机制声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。热阻：

声子扩散过程中的各种散射。热传导系数λ：其中，c：声子比热容；v：声子传播速度；l：声子平均自由程。热传导的物理机制声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过30声子和声子导热微观机理格波的传播看成是质点-声子的运动；格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞；格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为声子同晶体质点的碰撞；理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。晶体中，热传导的实质就是碰撞。

声子和声子导热微观机理格波的传播看成是质点31光子的导热：光子在介质中的传播过程（光的散射、衍射、吸收、反射和折射）热辐射：热射线的传递过程（可见光与部分近红外光的区域）光子和光子导热

微观机理光子的导热：光子在介质中的传播过程热辐射：热射线的传递过32影响热导率的因素温度的影响显微结构的影响化学组成的影响气孔的影响影响热导率的因素温度的影响33温度的影响

温度较低时，主要是声子传导自由程则有随温度的升高而迅速降低的特点高温时,λ则迅速降低，在40K附近，出现极大值。当达到1600K时，由于辐射传热，λ又有所升高

热导率随温度的变化温度的影响温度较低时，主要是声子传导热导率随温度34显微结构的影响几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系显微结构的影响几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系35显微结构的影响晶体和非晶体材料的导热系数曲线显微结构的影响晶体和非晶体材料的导热系数曲线36化学组成的影响MgO-NiO的固溶体的热导率化学组成的影响MgO-NiO的固溶体的热导率37导热系数测量方法及仪器稳态方法:1.热流法导热仪：2.保护热流法导热仪：3.保护热板法导热仪：动态（瞬时）测量法热线法：激光闪射法：导热系数测量方法及仪器稳态方法:38热流法测量原理NETZSCHHFM436Lambda热流法导热仪，适用于绝热材料。热流法测量原理NETZSCHHFM436Lambda热39保护热流法导热仪：保护热流法导热仪保护热板法导热仪:保护热板法导热仪保护热流法导热仪：保护热流法导热仪保护热板法导热仪:保护热板40动态（瞬时）测量法NETZSCHLFA447激光导热仪动态（瞬时）测量法NETZSCHLFA447激光导热仪41材料的热稳定性抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂；抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。

热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。热冲击损坏的类型：材料的热稳定性热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（42热稳定性的表示方法1.一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度℃表示。（日用瓷）2.试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次数n表示。耐火材料：1123K；40min；283－293K；3(5－!0)min3.试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。热稳定性的表示方法1.一定规格的试样，加热到一定温度，43热应力的产生热应力：由于温度变化而引起的应力在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞后现象------膨胀系数低于单晶的膨胀系数。例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。热应力的产生热应力：由于温度变化而引起的应力在复合体中，由于4404008001200温度（0C）0.80.60.40.20.0膨胀（%）