材料科学与工程基础 教学课件 作者 顾宜 主编第四章第四讲.ppt

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1、4－2材料的热性能ThermalPerformanceofMaterialsThermal-physicalpropertiesthermalconductivityheatcapacitythermalexpensionheatresistanceThermal-chemicalpropertiesthermalStabilityflameretardancy4－2材料的热性能(thermalperformance)热导率热物理性能：比热容热膨胀耐热性热化学性能：热稳定性燃烧特性4－2－1材料的

2、热学性质(thermalproperty)1.热传递三种方式：热传导、热辐射、热对流热传导－基本的传递方式A自由电子（金属）B晶格振动，离子和共价晶体（陶瓷）C分子传导（高分子、小分子气体、液体）热流量q＝－(dT/dX)两平面稳态热流量（与时间无关）q=At(T1-T2)/d式中A为平板面积,为热导率,t热传导的时间非稳态：=/CP·式中为热扩散系数，m2.s-1；CP为比热容；为密度2.热导率(thermalconductivity)定义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂

3、直面积上的热量=-q/(dT/dX)J.s-1.m-1.K-1或W.m-1.K-1金属高自由电子无机非金属：中晶格热振动高分子很小，0.1-0.4之间银最高427合金40金刚石30玻璃1合金、孔隙结晶、温度表4-2-1某些材料的热导率和比热容材料热导率W/（m·k）比热容J(kg·k)材料热导率W/（m·k）比热容J(kg·k)铝247900硅150铜398389氧化铝30.1775金315130氧化镁37.7940铁80.4448尖晶石15.0790镍90443钠钙玻璃1.7840银42

4、8235聚乙烯0.382100钨178142聚丙烯0.1218801025钢51.9486聚苯乙烯0.131360316不锈钢16.3502聚四氟乙烯0.251050黄铜120375酚醛树脂（电木）0.151650尼龙-660.2416704-28有一块面积为0.25m2、厚度为10mm的钢板热导率为51.9W/(m*K)，两表面的温度分别为300℃和100℃，试计算该钢板每小时损失的热量？Q=λA（T1-T2）/d=51.9*0.25*（300-100）/0.01=259.5KWQ=259.5*

5、3600=934.2MJ3、比热容（CP）或CVSpecificheat材料对热量的吸收能力热容（heatcapacity)，将一摩尔材料的温度升高一度所需的能量（没有相变或化学反应）。单位为J/mol·K。体积恒定，所吸收的热量等于内能的增量等容热容内能对温度的曲线上的斜率恒压，所吸收的热量等于焓的增量：等压热容：焓对温度的曲线上的斜率固体多用CP，J·mol-1·K-1。Cp>Cv。绝对零度时CP=CV=0RT相近固体热容理论原子的振动---晶格的振动经典理论谐振子量子理论随机振动德拜模型晶体

6、中原子的相互作用，弹性波的振动（声波）Cv＝3RfD(θD/T)θD:德拜温度，材料参数（简单晶体）德拜比热函数比热（容）=热容/原子量，J·Kg-1·K-1定义：1Kg质量的固体（或液体）升高（或降低）1C时，所增加（或减少）的（振动能量）热量比热容与材料的组成和结构金属CP<1KJ·Kg-1·K-1，热容小，容易加热、容易冷却自由电子的贡献很小。无机非金属，同上，更符合德拜模型高分子CP1.0~3.0KJ·Kg-1·K-1，热容大不同的运动单元原子、基团、链段分子链柔顺性温度的升高是由于分子

7、间内摩擦引起的，柔性链，运动单元小内摩擦小,T上升慢，热容量大，高弹态＞玻璃态比热容与温度T＞＞θD,Cv≈3RT＜＜θD,Cv＝12Rπ4(T/θD)3/5比热容与相变DSC——示差扫描量热仪DTA——差热分析TgCp发生突变一级相变二级相变4-2-2热膨胀性（ThermalExpension)1、热膨胀材料的体积或长度随温度升高而增大的现象原因：原子或分子的热运动晶体：原子在晶格内平衡位置附近振动，T，振幅，原子平均间距非晶体：原子的振动和转变。高分子沿主链振动；链节、链段，转动；自由体积—运

8、动的空间2、热膨胀类型(coefficientofthermalexpansion)CTE线膨胀l=(1/l)dl/dT体膨胀V=(1/V)dV/dT影响因素①温度T升高，增大②结构键能大，减小无机材料小，10-5~10-6金属中，1~3×10-5高分子大，2.5~25×10-5取向交联度减小晶格类型、结晶度柔顺性刚性，柔性，表4-2-2各种材料的线膨胀系数材料名称线膨胀系数×105,K-1材料名称线膨胀系数×105,K-1玻璃0.1~1.0聚苯乙烯7陶瓷0.45聚