材料物理性能热学性能.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,无机材料物理性能,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,无机材料物理性能,*,材料物理性能,无机材料专业,1/56,无机材料物理性能,2,无机材料热学性能,无机材料热学性能包含,:,热容,热膨胀,热传导,热稳定性,熔融和分解,2/56,无机材料物理性能,3,物理本质,晶格热震动：质点围绕平衡位置作微小震动,这些是固体物理学在无机材料热性能方面详细表现,3/56,无机材料物理性能,4,无机材料热容,(Heat capacity),定义：,C=Q/,T,物体温度升高,1K,需要能量，,比热容：,J/(K,g),摩尔热容：,J/(K,mol),平均热容：,Q/(T,2,-T,1,),4/56,无机材料物理性能,5,恒压热容,C,p,恒容热容,C,v,5/56,无机材料物理性能,6,C,p,和,C,v,关系依据热力学第二定律得到：,：体膨胀系数，：压缩系数，,V,0,：摩尔容积,6/56,无机材料物理性能,7,晶态固体热容经验定律,元素热容定律,-,杜隆,-,珀替定律：元素恒压原子热容是,25J/(K,mol),化合物热容定律,-,柯普定律：化合物分子热容是元素原子热容总和,他们基础：质点热震动在没有相互干挠时能够相互叠加，容量性能,7/56,无机材料物理性能,8,晶态固体热容量子理论,是固体物理学内容，在教材中有,在比较低温度，,C,v,=AT,3,Above Debye temperature,C,v,=3R,8/56,无机材料物理性能,9,无机材料热容,材料热容和温度关系由试验决定，普通采取以下经验公式,(,这在今后工作及研究中十分常见，如热力学计算,),：,9/56,无机材料物理性能,10,无机材料热膨胀,(Thermal expansion),热膨胀系数,当温度升高，材料体积或者长度增大,l,：线膨胀系数，无机材料,l,数量级在,10,-5,-10,-6,/K,10/56,无机材料物理性能,11,实质：原子热振动,无机材料热导率小于金属材料和高分子材料,11/56,无机材料物理性能,12,体膨胀系数和线膨胀系数能够依据基础物理和数学知识推导。如立方体是：,v,3,l,当材料在使用中有显著温度改变，热膨胀系数是材料非常主要性能，热应力是因为热膨胀系数不一样,12/56,无机材料物理性能,13,电子材料封装在热膨胀系数选择是非常主要,晶体材料注意不一样方向热膨胀系数差异,13/56,无机材料物理性能,14,热膨胀和其它性能关系,和结合能及熔点关系,结合能高，熔点高，材料中质点热振动受温度影响小，材料热膨胀系数也小,和温度关系,是温度函数。普通地，温度升高，热膨胀系数升高,和结构关系,结构致密，热膨胀系数大，而玻璃小，因为结构内空隙,”,问题,14/56,无机材料物理性能,15,多晶体和复合材料热膨胀,无机材料是晶体和非晶态材料复合体，其热膨胀实际是它们热膨胀性能之复合,晶态材料热膨胀有方向性,(,各向异性,),将影响计算方法或者方式,各向同性计算按复合材料方式计算,15/56,无机材料物理性能,16,不一样材料匹配问题,电子材料封接一定考虑热膨胀系数匹配,材料设计时需要考虑利用材料热膨胀利弊,.,陶瓷材料增韧问题,能够利用材料热膨胀产生预应力,16/56,无机材料物理性能,17,陶瓷制品表面釉热膨胀系数小于陶瓷胚体热膨胀系数,适当热膨胀系数是材料制备和性能中主要原因,17/56,无机材料物理性能,18,例题,一根,1m,长,Al,2,O,3,炉管从室温,(25,o,C),加热到,1000,o,C,时，假使在此过程中，材料热膨胀系数为,8.8,10,-6,mm/(mm,o,C),，计算管膨胀量是多少？,18/56,无机材料物理性能,19,解答,依据上面公式，有：,19/56,无机材料物理性能,20,Homework,教材第,169,页第二题,下次课交,。,20/56,无机材料物理性能,21,无机材料热传导,(Thermal Conductivity),无机材料导热性能差异非常大，陶瓷材料中有优良导热性能,良好导热材料，或者含有,优良绝热性能,是优良绝热材料,本质：晶格振动格波和自由电子运动,其机制和扩散中机制相近，也符合,Fick,定律,21/56,无机材料物理性能,22,热传导宏观表征,热量从温度高地方向温度低地方传导,热力学自发过程，这是热传导现象,热传导方程，,：热传导系数,22/56,无机材料物理性能,23,热传导系数物理意义：单位温度梯度下，单位时间经过面积热量，单位：,W/(m,2,k),或者,J/(m,2,sK),方程是稳定过程方程,非稳定过程热传导方程是,：,23/56,无机材料物理性能,24,热传导微观机理,本质：晶格振动格波和自由电子运动,金属中有大量自由电子，所以金属热传导性能好,其它结合键,(,共价键和离子键,),主要是晶格振动格波，而自由电子贡献非常小,晶格振动格波是晶格振动相互影响，到达平衡，实现热量传递,24/56,无机材料物理性能,25,声子和声子热传导,格波类似在固体中传输弹性声波，其量子化是声子,格波在固体中传输是声子传输，格波和物质作用是声子和物质作用，热传导是声子热传导,固体热传导方程是,25/56,无机材料物理性能,26,光子热传导,材料中除了声子热传导，还有热辐射,光子热传导,当材料中存在温度梯度，相邻体积间温度高体积元辐射能量高，接收能量低，而温度低体积元与之相反，能量产生转移，实现热量光子热传导,普通地，陶瓷材料光子热传导是在温度相当较高时，作用才显著,26/56,无机材料物理性能,27,影响热导率原因,温度：是温度函数,温度不太高，主要是声子热传导，温度较高，光子热传导作用才显著。,看教材图,3.13,和图,3.14,耐火材料中氧化物多晶材料在实用温度范围内，,T,升高，热导率降低。看图,3.15,27/56,无机材料物理性能,28,显微结构影响,晶体结构影响：晶体结构愈复杂，晶格振动非谐性程度愈大，声子平均自由程较小，热导率较低,MgAl,2,O,4,热导率低于,MgO,或者,Al,2,O,3,28/56,无机材料物理性能,29,各向异性晶体热导率,晶体各向异性，热导率也是各向异性,温度升高，各向异性热导率差异降低，因为晶体伴随温度升高，晶体结构对称性更加好,29/56,无机材料物理性能,30,多晶体和单晶体热导率,同一物质，多晶体热导率比单晶体热导率小。因为多晶体晶界使得声子受到散射，热导率变小,看图,3.16,30/56,无机材料物理性能,31,非晶体热导率,非晶态结构特点是：近程有序，远程无序。声子理论近似计算：,在中低温（,400-600K,）：光子导热贡献很小，热容变大，所以材料热导率增加,31/56,无机材料物理性能,32,在中高温（,600-900K,），声子热容基本不变，声子热导率基本不变，但光子热导率有增加,高温（高于,900K,），声子热容基本不变，但光子导热显著增加，材料热导率增加,看图,3.17,32/56,无机材料物理性能,33,实际无机材料热导率,实际无机材料由晶体和非晶体组成，三种情况：,见教材,143,页,33/56,无机材料物理性能,34,化学组成影响,质点原子量小，密度小，扬氏模量大，,Debye temperature,高，热导率大,缺点将降低材料热导率，如多晶界，固溶等,34/56,无机材料物理性能,35,气孔影响,无机材料中气孔对热导率影响复杂,气孔能够作为一相，也可能是简单影响,气孔普通降低材料热导率,在材料制备时，设计和制备均匀纳米气孔是现在材料科学研究领域一个方向,35/56,无机材料物理性能,36,材料实际热导率,按实际测量为准,材料导热性能在材料有比较大温度改变或者温度梯队时必需要考虑,在要求不高时，能够采取近似值代替,36/56,无机材料物理性能,37,例题,计算当温度从,150,o,C,到,25,o,C,时，经过导热系数为,15.0J/(s,m,K),，厚度为,10mm,MgAl,2,O,4,尖晶石材料稳态热导率是多少,J/m,2,s,。,37/56,无机材料物理性能,38,Solution,由上面公式,3.41,38/56,无机材料物理性能,39,Over this temperature range(from 150 to 25,o,C),giving,39/56,无机材料物理性能,40,因为,K,和,o,C,二者单位一致性，所以有：,40/56,无机材料物理性能,41,无机材料热稳定性,(Thermal Shock)热稳定性：,材料在温度急剧改变而不被破坏能力，也被称为抗热震性,因为无机材料使脆性材料，材料热稳定性能比较差,分成二种：材料在瞬时断裂,抗热冲击断裂性,，热冲击作用，材料表面开裂、剥落直到材料被破坏,抗热冲击损伤性,41/56,无机材料物理性能,42,无机材料热稳定性实质,热稳定性包含热膨胀和导热二方面，见下面示意图：,T,1,T,2,T,1,T,1,T,2,T,1,T,2,42/56,无机材料物理性能,43,热稳定性表示方法,温度差,热循环次数,热循环后强度损失,均是直观评价方法，其基础是强度,-,应力,43/56,无机材料物理性能,44,热应力,定义：,材料在热膨胀或者收缩产生内应力,材料在循环时有热应力，在多相材料中，因为不一样相热性能不一样，也有热应力产生，温度梯度也将产生热应力,热应力计算按力学知识计算，现在比较多在实际材料设计、性能评价及材料失效方面主要应用计算机，模型是,有限元法,44/56,无机材料物理性能,45,例题,一根,1m,长,Al,2,O,3,炉管从室温,(25,o,C),加热到,1000,o,C,时，假使在此过程中，材料热膨胀系数为,8.8,10,-6,mm/(mm,o,C),，材料弹性模量是,E=370,10,3,MPa,，,计算管在膨胀过程中热应力是多少？,45/56,无机材料物理性能,46,解答,依据前面公式，有：,46/56,无机材料物理性能,47,热应力实际是材料膨胀应力，有：,=E,所以，,=(37010,3,MPa)(8.58 10,-3,),=3170MPa,47/56,无机材料物理性能,48,抗热冲击断裂性能,第一热应力断裂抵抗因子,R,评定基础：材料中热应力小于材料强度,不足：将问题绝对化，没有考虑材料性能、应力分布、产生速率和时间等,48/56,无机材料物理性能,49,第二热应力断裂抵抗因子,R,在第一因子基础上改进，考虑了其它原因，详细见教材第,155,页,单位是：,J/(cm,s),注意其应用,49/56,无机材料物理性能,50,冷却速率引发温度梯度和热应力,冷却速率不一样引发不一样温度梯度,温度梯度形成热应力，热应力将影响材料热稳定性,第三热应力因子,50/56,无机材料物理性能,51,抗热冲击损伤性,基础是应变能,-,断裂能,因为材料内气孔、晶界、杂质及缺点等,使得强度,-,压力理论不准确,二个抗热应力损伤因子，,2,eff,断裂表面能,51/56,无机材料物理性能,52,提升,抗热冲击断裂性能办法,提升材料确度,，降低弹性模量,E,，提升,/E,。实质是提升材料柔韧性,提升材料热导率，使得,R,提升,降低材料热膨胀系数,降低表面热传递系数,h,降低产品有效厚度,52/56,无机材料物理性能,53,无机材料熔融和分解,晶体熔点与结合能,熔点定义，见教材。晶体有准确熔点,本质是质点热运动,产生熔化和材料化学键强度亲密相关,53/56,无机材料物理性能,54,间隙相熔点,什么是间隙相,主要是氮化物，碳化物和硼化物,普通有较高熔点和硬度，是高温材料或者超硬材料,性能特殊，是现在材料科学与工程中主要组成部分,54/56,无机材料物理性能,55,升华和分解,材料三相点饱和蒸气压高于大气压，在大气压下，材料没有熔化，而直接变成气态,-,升华,材料在高温下条件改变轻易升华，如氧化镁,材料分解,本质和材料结合键及质点热振动相关,55/56,无机材料物理性能,56,Homework,教材第,169,页第四和五题,下次课交。,56/56,