材料性能学全部复习资料

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1、第四章材料的热学性质　导言由于材料及其制品都是在一定的温度下使用的，在使用过程中，将对不同的温度作出反映，表现出不同的热物理性能------材料的热学性能。本章介绍的主要内容：•材料热学性能的基本物理基础；•材料的热容；•材料的热膨胀；•材料的热传导；•无机材料的热稳定性本章的重点及难点重点：掌握材料的热容、热膨胀、热传导、热稳定性的基本概念。难点：深入理解各项基本概念的物理本质、计算无机材料的第一、二、三热应力抵抗因子。第一节材料热性能研究的意义1材料热性能在空间科学技术中的应用现代空间科学技术往往要求材料在变温条件，甚至在极端温度条件下工作。如空间飞行器从发射、入轨以后的轨道飞行

2、直到再返回地球的过程中，要经受气动加热的各个阶段，都会遇到超高温和极低温的问题，必须要有“有效的隔热与防热措施”，这有赖于对其热过程进行热分析和热设计，导热系数(λ)、比热(Cv或Cp)、导温系数(即热扩散)(a)、热发射率(ε)、热膨胀系数(α)和粘度(η)等则是热计算和热设计的关键参数，也是研制、评价和优选所用隔热和防热材料的主要技术依据。如空间飞行时，飞行器的头部是承受最高温度和最大热流的部位，其表面温度最高可达5000℃，解决此“热障”的方法有：辐射防热、烧蚀(发汗)防热、吸收(热沉)防热温控涂层。这很大程度上决定于防热系统材料的热性能。辐射防热：利用材料表面的热辐射性能的特

3、殊防热方式，要求材料表面热发射率高，关键参数是材料表面的热发射率。吸收防热：利用材料本身的具有较大的比热容和导热系数，以便将热量尽多地吸收或导出。关键性能参数：材料的比热容和导热系数。烧蚀防热：则要求协调各方面的性能参数，如：要求高的热发射率，以便让头部表面散失更多的热量；尽可能高的热容和尽可低的导温系数，以例让头部吸收更多的热量而又不至于升温过快；尽可能小的导热系数，头部表面的热量就难以传递到内壁；头部材料与基体材料之间的热应力应尽可能小，要求两者间的膨胀系数尽可能地匹配。温控涂层：可解决飞行器工作室中温度差过大的不足，使其能正常工作。其原理主要是通过涂层的热辐射性能来调节实现的。

4、2材料热性能在能源科学技术中的应用自1973年出现能源危机以来，节约能源被称为“第五能源”，据估计节能技术可使全世界总能耗减少20～30%。近十多年已发展起来了“隔热保温调节节能技术”，取得了很好的效果。据推算，我国各类窑炉和输热管道，由于保温不善，每年的热损失折合标煤约为3000～4000万吨。若能使热减少15～20%，就可节约标煤600～800万吨。这项技术关键点表现如下：i)保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。关键技术：是材料的导热系数，要求最小λ值时相对应的最佳容重和最佳内部结构。ii)远红外加热技术：研制或选择具有特定的选择性辐射性能，即它的单色发射率ελ随不同的波长而

5、变化，并且正好与所要加热或干燥的物品的选择吸收性能，即它的单色吸收率随波长变化曲线匹配的表面涂层。这样，被加热物体的某些红外波段的强烈吸收带正好是与表面涂层相对应的红外波段单色热发射率特别大的区域，故能获得最佳的能量利用率，此技术一般可获得节电25%的综合效果。关键技术：物质表面单色热发射率ελ和单色吸收率αr。iii)太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。措施：应用光谱选择性涂层。优化贮热、蓄热的结构设计，选择导热系数和比热系数合适的材料。3材料热性能在电子技术和计算机技术中的应用i)在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中，要求集成块

6、的基底材料导热性能优良。以免集成块温度骤增，热噪声增大。关键是寻找出既能绝缘，又具有高导热系数的材料。日本已发明了一种高导热性的特种碳化硅陶瓷，其导热系数比一般碳化硅高一个数量级，比氧化铝高14倍，且热膨胀性能与半导体硅相匹配。ii)彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部的有机绝缘片，为了散热而要求具有良好的热导性。第二节热学性能的物理基础1、物理本质：固体材料的各种热学性能均与构成材料的质点（原子、离子）热振动有关。2、晶格热振动：点阵中的质点（原子、离子）总是围绕其平衡位置作微小振动。3、晶格热振动是三维的，即可以将其分解为3个方向的热振动。设每个质点的质量为m，在任一瞬间该

7、质点在x方向的位移为xn，其相邻质点的位移为xn-1、xn+1。根据牛顿第二定律，该质点的运动方程为上述方程为简谐振动方程，其振动频率随Em的增大而提高。对于每一个质点，热振动时都有一定的频率。材料内有N个质点，就有N个频率的振动组合在一起。温度高时，动能大，所以振幅和频率均加大。各质点热运动时动能的总和，为该物体的热量。4、由于材料质点间有着很强的相互作用，因此一个质点的振动会影响邻近点的振动，使相邻质点间有着一定的位相差，并形成弹性波的形式（又称格波）