fh12材料的热学性能-2

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1、材料性能学付华石家庄铁道大学1第12章材料的热学性能12.1晶体的点阵振动12.2热容12.3热膨胀12.4热传导12.5热稳定性第13章材料的磁学性能第14章材料的电学性能第15章材料的光学性能第二部分材料的物理性能212.4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3傅里叶(Fourier)定律：单位梯度温度下，单位时间内通过材料单位垂直面积的热

2、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:4晶格振动（格波）12.4.2微观机理气体：声子热导：声频支—较低温度；光子热导：光频支—高温时。固体：分子碰撞传热；自由电子5高温处：质点热振动强烈晶格振动（格波）的热传导机理:质点间相互作用，振动较弱的质点在振动较强的质点影响下，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6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

3、。1.声子热传导热阻：声子扩散过程中的各种散射。7（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。8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,具有较强的热效应，称为热射线，其传递过程------热辐射。2.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9对辐射线透明的介质，热阻小。单晶、玻璃，在773---1273K辐射传热

4、很明显；光子热导的热阻：材料的光学性质对辐射线不透明的介质，热阻大。大多数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下辐射明显；完全不透明的介质，辐射传热可以忽略。10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≈3011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：主要为声子热导。热导率和电导率都很低，通常用作绝热材料。121.温度12.4.3影响热导率的因素晶体材

5、料：一般地，在常用温度范围内，热导率随温度的上升而下降。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；1314152.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。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。16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。17多晶体热导率比单晶小。18无机非金属材料非晶体;含气孔的不密实材料;气孔导热占一定比例，随温度的上升，热导率略有增大。

6、19非晶体的热导率：0T(K)400－600K600－900K0T(K)··非晶体晶体与非晶体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。20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21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

7、的氧化物和碳化物具有较高的热传导系数，如:BeO,SiC.22杂质的影响显著。化学组成复杂的固体热导率小。23(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。24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↑.2512.4.4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。26热应力：高温下，

8、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热稳定性热稳定性（thermalstability），又称为抗热震性，热抗震性；材料承受温度瞬变而不破坏的能力。27热稳定性有2种类型：热震断裂（热应力断裂）：热冲击+瞬时断裂；热（应力）