lec10-11材料的热性能

材料的热性能ThermalPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院自由电子对热容的贡献自由电子对热容的贡献仅在温度很低或很高的情况下才需考虑。？材料的导热性——热传导1500KT2300KTQ一块材料温度不均匀或两个温度不同的物体互相接触，热量便会自动地从高温度区向低温度区传播，这种现象称为热传导。gradTdxdTq傅里叶导热定律热导率（导热系数）金属合金非金属液体绝热材料大气压气体导温系数(热扩散率)a＝к/（cpρ）(m2／s)。物理意义表征物体热量传输能力的重要参数物体吸收或释放的热量物体的导热量aa物体传播热量的能力强或物体传播热量的速度快a物体传播热量的能力弱或物体传播热量的速度慢热阻R——热量传递所受阻力。1500KT2300KT气体靠分子间的直接碰撞来传递热量。p大p小固体？导热的微观机制T1小具有:较少的振动模式较小的振动振幅较少的声子被激发较少的声子数T大具有:较多的振动模式较大的振动振幅较多的声子被激发较多的声子数声子的热传导平衡时：同样多的振动模式振同样多的振动振幅同样多的声子被激发同样多的声子数dT/dx(温度梯度）作用于产生电子声子晶体固体材料导热的微观机制eph从晶格格波的声子理论可知，热传导过程------声子从高浓度区域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。根据气体热传导的经典分子动力学，热传导系数：=cvvl/3声子的热传导机理Cv：单位体积气体分子的比热------单位体积中声子的比热；v：气体分子的运动速度------声子的运动速度；l：气体分子的平均自由程------声子的平均自由程。Cv在高温时，接近常数，在低温时它随T3变化；声速v为一常数。影响热传导性质的声子散射主要有四种机构：Kn=0形成新声子的动量方向和原来两个声子的方向相一致，此时无多大的热阻。------正规过程ħq1+ħq2=ħq3+ħKn或ħq1+ħq2－ħKn=ħq3（1）声子的碰撞过程q1，q2相当大时，Kn0，碰撞后，发生方向反转，从而破坏了热流方向产生较大的热阻。翻转过程（声子碰撞）Knq1+q2q2q1q3声子碰撞的几率：exp(-D/2T)即温度越高，声子间的碰撞频率越高，则声子的平均自由程越短。散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关。qT在低温时，为长波，波长比点缺陷大的多，估计：波长Da/T犹如光线照射微粒一样，从雷利公式知:散射的几率1/4T4,平均自由程与T4成反比.在高温时，声子的波长和点缺陷大小相近似，点缺陷引起的热阻与温度无关。平均自由程为一常数。（2）点缺陷的散射点缺陷的大小是原子的大小：在位错附近有应力场存在，引起声子的散射，其散射与T2成正比。平均自由程与T2成反比。（3）晶界散射声子的平均自由程随温度降低而增长，增大到晶粒大小时为止，即为一常数。晶界散射和晶粒的直径d成反比，平均自由程与d成正比。（4）位错的散射T340K1600Kexp(D/2T)热辐射氧化铝单晶的热导率随温度的变化（1）温度的影响影响热导率的因素040080012001600200010.10.010.0010.0001Pt石墨SiC粘土耐火砖SiO2玻璃粉末MgO28000F隔热砖20000F隔热砖MgOAl2O3ZrO2温度(0C)BeO线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：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，结合能大热传导系数越大（2）化学组成的影响单质具有较大的导热系数金刚石的热传导系数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,SiC51030100300原子量UCSiBeBMgAlZnNiTh碳化物氧化物CaTi晶体是置换型固溶体，非计量化合物时，热传导系数降低。020406080100MgO体积分数NiO热传导系数(卡/秒厘米0C0.010.020.030.040.050.06化学组成复杂的固体具有小的热传导系数如MgO,Al2O3和MgAl2O4结构一样，而MgAl2O4的热传导系数低，2Al2O33SiO2莫来石比尖晶石更小.晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多，对声子散射大。A晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越低。B晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。C多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。(3)结构的影响非晶体晶体与非晶体0T(K)400－600K600－900K0T(K)··可以把玻璃看作直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的多晶体。（4）非晶体的热导率由于非晶体材料特有的无序结构，声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级，因而组分对其影响小。说明：非晶体的声子导热系数在所有温度下都比晶体小；两者在高温下比较接近；两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。一般情况下，介于两者曲线之间，可能出现三种情况：当材料中所含有晶相比非晶相多时，在一般温度以上，热导率随温度上升而有所下降。在高温下热导率基本上不随温度变化；当材料中所含的非晶相比晶相多时，热导率随温度升高而增大；当材料中所含的非晶相比晶相多时，热导率可以在一个相当的范围内基本保持常数。（5）晶相和非晶相同时存在(6)复合材料的热导率体积分数较小相为连续相（如液相）A层状模型的热导率取决于每一相的热导率和热流方向：两相材料的相分布模型层状模型体积分数较大的相为连续相热流的方向平行于各层，两相的温度梯度相同，则平行系统的热阻率的倒数等于各层热阻率的倒数之和：=V11+V22当两相的热导率相差很大时，热主要由传热较好的相传递：=V11当热流方向与平行层垂直时，通过所有各层的热流密度相同，但每一相中的温度梯度不同，总热阻率由各项热阻率的加权平均给出，即1/=V1/1+V2/2系统的热导率几乎只取决于导热较差的相，当第一相导热差时：1/=V1/1B体积分数较大的相为连续相两相系统较好的模型（分散相的体积分数不超过10）1------分散相的热导率；2------连续相的热导率.1－(2/1)(22/1)+11+2V11－(2/1)(22/1)+11－V1=22/111－V11+V1/2=22/111+2V11－V1=2例如：分散相为气相低温2/11高温，辐射在传热中开始发挥作用，此时，通过材料中气孔以辐射传递的热量不可忽略，辐射对传热贡献正比于气孔大小和温度三次方。高温，大的气孔不仅不降低热传递，而且在某种程度上，随着温度的增加，大的气孔增加有效热导率。无论在高温或低温，小的气孔均阻碍热流动，在多相多孔材料中，热传递的模式可能以很复杂的方式随温度变化。金属热导率金属的热导率可以归结为自由电子的贡献。套用理想气体热导率公式得：23131VVCC其中CV是电子气热容，v是电子运动的平均速度，是电子平均自由程，是电子弛豫时间。gradTdxdTq2nem2231nemcV计算比值：应用经典统计的结果：TkmnkcBBV2321232有：TekB223(1.5.3)(1.5.4)(1.5.5)(1.5.6)223ekTB这就是Wiedemann-Franz关系，该常数被称为Lorenz数（Lorenznumber）。28/1022.2WT宗燕兵29纯金属的导热：金属导热与导电机理一致；良导电体为良导热体：金属的导热系数：(晶格振动的加强干扰自由电子运动)铝金铜银T宗燕兵30合金：金属中掺入任何杂质将破坏晶格的完整性，干扰自由电子的运动金属的加工过程也会造成晶格的缺陷合金的导热：(温度升高、晶格振动加强、导热增强)如常温下：黄铜：70%Cu,30%Zn纯金属合金Cmw/398纯铜Cmw/109黄铜T材料的热稳定性热稳定性（抗热震性）：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：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0C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(5－10)min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。3.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）。热应力——仅由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。04008001200温度（0C）0.80.60.40.20.0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）因热胀冷缩受到限制而产生的热应力(2)因温度梯度而产生热应力（3）多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生热应力抗热冲击性能——抗热冲击断裂性能考虑问题的出发点：从热弹性力学的观点出发，以强度-应力为判据，即材料中的热应力达到强度极限时发生断裂。1.第一热应力断裂抵抗因子R仅考虑最大的热应力:Tmax=f(1－)/E(1－)/E表征材料热稳定性的因子（第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子）考虑承受的最大温差与最大热应力、材料中的应力分布、产生的速率和持续时间，材料的特性（塑性、均匀性、弛豫性），裂纹、缺陷、散热有关。2.第二热应力断裂抵抗因子R´材料的热导率：热导率越大，传热越快，热应力持续一定时间后很快缓解，对热稳定性有利。传热的途径：材料的厚薄2rm，薄的材料传热途径短，易使温度均匀快。材料的表面散热速率：表面向外散热快，材料内外温差大，热应力大，引入表面热传递系数h------材料表面温度比周围环境高单位温度，在单位表面积上，单位时间带走的热量（J/s·cm2·oC)。影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数=hrm/，无单位。越大对热稳定性不利。材料的散热与下列因素有关条件h(J/s·cm2·oC)空气流过圆柱体流速287kg/(s·m2)0.109流速1200.050流速120.0113流速0.120.0011从1000oC向0oC辐射0.0147从500oC向0oC辐射0.00398水淬0.4－4.1喷气涡轮机叶片0.021－0.08h实测值无因次表面应力由于散热等因素，使引起的最大热应力滞后，且数值折减。=/max------无因次表面应力=20105321.51.00.50.1时间无因次应力*具有不同的无限平板的无因次应力*随时间的变化*越大，实测的最大应力越大，折减越小。越大，*越大，折减越小。达到最大都需经过一定时间，即滞后。越小，滞后越大，即达到实际最大应力所需的时间越长。骤冷时的最大温差只使用于20的情况。水淬玻璃:=0.017J/(cm·s·K),h=1.67J/(cm2·s·K),20由=hrm/得：rm0.2cm，才可以用Tmax=f(1－)/E即玻璃的厚度小于4时，最大热应力随玻璃的厚度减小而减小。对流和辐射传热时的[