材料性能学课件：材料的热学性能-2-热传导-热稳定性-

材料性能学212.1晶体的

点阵（晶格）振动LatticeVibration

12.2热容HeatCapacity12.3热膨胀ThermalExpansion

12.4热传导

HeatConduction

12.5热稳定性

ThermalStability

材料的热学性能基本概念物理本质影响因素测试方法应用3掌握要点：1.固体材料的热传导机理包括

、

、

等.2.热稳定性是指

，包括

和

。

3.热应力断裂是指

，采用

理论；

热应力损伤是指

，采用

理论；412.4热传导热传导：热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式。12.4.1基本概念空气、羊毛/羽毛/毛皮/棉花/石棉/软木等松软物质。瓷/木头/竹子/皮革，玻璃、混凝土等。金属：良导体。银>铜>铝。导热能力heatconduction

5傅里叶(Fourier)定律：单位温度梯度下，单位时间内通过材料单位垂直面积的热量。λ单位:J／(m·s·K)，W/(m·K)，W/m·℃。热（能）流密度q：热导率(导热系数)λ:thermalconductivity

612.4.2导热的微观机理气体：分子碰撞传热；7晶格振动（格波）声子热导：phonon

声频支—较低温度；光子热导:Photons

光频支—高温时。固体：自由电子freeelectron

12.4.2导热的微观机理89高温处：质点热振动强烈晶格振动（格波）的热传导机理:带动，振动加剧，能量增加；热量，从高温向低温传递→→热传导现象。低温处：质点热振动较弱；热传导微观机理10新声子的动量方向和原两个声子的方向一致，热阻小。（1）声子的碰撞过程碰撞后，方向反转，热阻较大。1.声子热传导热阻??声子扩散过程中的各种散射。11（2）点缺陷的散射（4）晶界散射（3）位错的散射热阻：声子扩散过程中的各种散射。12固体中分子、原子和电子的振动/转动，辐射出频率较高的电磁波（光子）。波长0.4-40μm的可见光和近红外光------热辐射。2.光子热导(高温时)132.光子热导(高温时)发生光的散射/衍射/吸收/反射/折射。光子在介质中的传播过程------光子导热过程。辐射与吸收：

高温：辐射>吸收

低温：辐射<吸收14透明介质，热阻小。单晶、玻璃，在500---1000℃辐射传热明显；光子热导的热阻：材料的透明度对辐射线不透明的介质，热阻大。陶瓷、耐火材料：在1500℃辐射明显；完全不透明，

辐射传热可忽略。15金属：大量自由电子。3.电子热导纯金属：主要热传导机理。合金：杂质原子散射。热传导机理：电子+声子。

λe/λL≈30

16纯金属：电子热导。（导电）合金/半导体/半金属：电子+声子小结：各类材料的热传导机理绝缘体：声子高分子材料：分子间的声子热传导。无机非金属材料：主要--声子热导。热导率和电导率都很低。171.温度12.4.3影响热导率的因素晶体材料：一般地，在常用温度范围内，

热导率随温度的上升而下降，热阻大。温度很高：光子辐射，λ增大。热导率与温度T成反比下降；温度很低：(热容)热导率λ∝T3；202.结构的影响晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越低。晶向不同，热传导系数不同。石墨、BN为层状结构，层片内比层片间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。21晶界多、缺陷多，对声子散射大。2结构的影响同一种物质：

多晶体的热导率总比单晶小。多晶单晶多晶体热导率比单晶小。23无机非金属材料晶体非晶体24非晶热导------声子热导。非晶：short-rangeorder；声子的平均自由程：几个晶胞间距；T↑

，高频率的声波，冲破短程晶胞量级，平均自由程升高，声子传播速度升高，热导提高。

高温：热容3R。25非晶体的热导率：

非晶体的声子热导率在各温度下都比晶体小；

两者在高温下比较接近；

重大区别：晶体有一峰值。26

线性简谐振动→几乎无热阻;

非线性振动→热阻大;

晶格偏离谐振程度越大，热阻越大。物质组分原子量之差越小，质点的原子量越小，密度越小，德拜温度越大；（轻元素、结合能大）热导率越大3.成分的影响27

单质具有较大的导热系数;

金刚石的热导率比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能输出大功率。

较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具有较高的热传导系数，如:BeO,SiC.28

杂质的影响显著。化学组成复杂的固体热导率小。29(4)复合材料的热导率两相：连续相（基体）(λc)和分散相(λd)：Vd为分散相的体积分数。陶瓷：晶粒—分散相，晶界(玻璃相)—连续相，可由上式计算热导率。30气孔热导率≈0，气孔率大—热导率小。P为气孔的体积分数。(5)气孔

高温、大气孔：气孔内气体流动→λ↑.3112.4.4材料热传导性能的应用高导热材料：器皿，器件，温度传感器。绝热保温材料：建筑墙体：多层、颗粒复合、泡沫、多孔、中空结构。

323312.5热稳定性

ThermalStability

3435热应力：高温下，未改变外力作用状态时，仅因热冲击而在材料内部产生的内应力。多相复合材料：各相膨胀或收缩的相互牵制；各相同性材料：温度梯度。

12.5热稳定性

ThermalStability

热稳定性（thermalstability），--抗热震性，热抗震性；thermalshockresistance

材料承受温度瞬变而不破坏的能力。36热稳定性有2种类型：热应力断裂thermalstressfracture

（热震断裂）

thermalshockfracture

热冲击+瞬时断裂；热（应力）损伤：thermalstressdamage热冲击+循环；机械外力+热应力√+温度：力学性能+热学性能；热弹性理论：断裂力学理论；371.材料的热应力断裂(热震断裂)急剧受热和冷却：第一抗热应力断裂因子R1（R)：α：热膨胀系数ν：泊松比E：弹性模量σf：断裂强度R1越大，材料能承受的温度变化越大，热稳定性越好。△Tc：热震断裂的临界温度。thermalshockfracturethermalstressfracture38慢速受热和冷却：第二抗热应力断裂因子R2（R′)

：λ：热导率1.材料的热应力断裂(热震断裂)材料的热导率λ越大，传热越快，散热越好，热稳定性越高。A：常数（构件形状/热处理条件）thermalshockfracturethermalstressfracture39恒定速率加热或冷却：第三抗热应力断裂因子R3（R〞)

ρ:密度(kg/m3)，Cp：定压热容。R3越大，则允许的最大冷却速率越大，热稳定性就越好。1.材料的热应力断裂(热震断裂)thermalshockfracturethermalstressfracture402.材料的热应力损伤(热损伤）断裂力学观点:弹性应变能--断裂表面能；当弹性应变能小或断裂表面能γ大时，裂纹不易扩展，热稳定性好．抗热损伤性：正比于断裂表面能，反比于弹性应变能释放率。微裂纹、微孔材料，瞬时不断裂。

考虑问题的出发点:阻止微裂纹的扩展。thermalstressdamage412.材料的热应力损伤(热损伤）第四抗热应力损伤因子R4

弹性应变能释放率的倒数。

第五抗热应力损伤因子R5弹性应变能+断裂表面能。thermalstressdamage423.抗热震断裂，抗热损伤

对材料性能的要求相反；抗热应力损伤：高E、γ、KIc；低σf；阻止裂纹扩展，疏松材料抗热应力断裂：高强度σf、λ低E阻止裂纹萌生/致密材料耐火砖(气孔)抗热冲击损伤性↑↓强度，↓热导率，↓

R1,R2。434.抗热震性能的表述或测试最大温差：试样表面开裂。材料升至不同的温度后，淬冷（风冷或水冷）强度保持率：规定次数后：淬冷次数：反复测试直至材料产生宏观裂纹