第五章材料的热性能

1、材 料 物 理 性 能授课教师 黄兴民E-mail: Office number5章材料的热性能材料物理性能- 2 -材料的热容材料的热容材料的热膨胀材料的热膨胀材料的导热性材料的导热性本章纲要第5章材料的热性能材料物理性能- 3 -热容（heat capacity）1mol物质升高1K所需要的热量TQCdd定容热容定容热容C CV V定压热容定压热容C Cp pCpCV对于定容过程：吸收的热量全部用于增加内能。吸收的热量全部用于增加内能。对于定压过程：吸收的热量增加内能膨胀作功吸收的热量增加内能膨胀作功VVVTUTQc)()(PPPTHTQc)()(第5章材料的热

2、性能材料物理性能- 4 -图 NaCl的热容随温度变化曲线热容（heat capacity）对于处于凝聚态的材料，Cp和Cv差异可以忽略,但在高温时，二者相差较大./2TVccmvp为体积膨胀系数 为压缩系数 Vm为摩尔体积 VdTdVa VdpdV第5章材料的热性能材料物理性能- 5 -固体热容理论 1经典热容理论杜隆珀替定律(DulongPetits Law)2爱因斯坦量子热容理论3德拜量子热容理论固体的热容是固体的热容是原子振动原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现。在宏观性质上的一个最直接的表现。1819年1906年1912年第5章材料的热性能材料物理性能- 6 -通过实验发现：杜隆珀

3、替定律(DulongPetits Law)许多非金属固体在室温时的摩尔定容热容都接近于摩尔气体常数RR=8.314510J/(molK)的3倍：)/(9 .243.molKJRCmV“原子热定律原子热定律”:固体中每个原子有3个热振动自由度热振动自由度，根据能量均分理论(equipartition theory),每个原子的能量为3kT。所以一个原子的热容等于3k。对1mol固体，其摩尔定容热容为：RCmV3.简单、通用的固体热容估算方法。1.固体热容随温度下降而减小。2.T0K，CV,m0。第5章材料的热性能材料物理性能- 7 -原子的振动 原子的平衡位置aat时刻原子的位置ABCx (n-

4、1)x nx (n+1)一维晶格中原子热振动位移一维晶格中原子热振动位移1nnABxxdnnBCxxd1第5章材料的热性能材料物理性能- 8 -原子的振动 原子的平衡位置aat时刻原子的位置ABCx (n-1)x nx (n+1)只考虑短程弹性力，对B原子，由胡克定律：)(11nnnxxF)(11nnnxxF：弹性力常数由牛顿第二定律，引出B原子的运动方程：)2(111122nnnnnnxxxFFdtxdm第5章材料的热性能材料物理性能- 9 -原子的振动 )2(111122nnnnnnxxxFFdtxdm求解二阶线性微分方程分析：分析：1.由相同原子构成的晶格，当温度一致时，处于晶体学等价位

5、置的原子具有相同的热振动频率热振动频率和振幅振幅。2.原子之间位移的差异仅仅在于其振动通常是“不同步”的，即原子的热振动从晶格的一端传递到另一端时，原子振动的起始时间有差异。这种时间差异称为“相位差相位差”。3.由相同原子构成的一维晶格中，相邻原子之间的相位差是相同的，用aK表示。a: 相邻原子之间距离（晶格常数）K：相位差常数（波数）第5章材料的热性能材料物理性能- 10 -则A和C原子的位移xn-1和xn+1实际上只是与原子B的位移xn相差一个“相位差”。格 波 于是求解可得：于是求解可得：)(expnaKtiAxn从物理上看，上式是波动方程的复数表示方式，相当于通常的简谐振动方简谐振动方

6、程程。于是可写成：)2cos(naKvtAxn)cos(naKtAxn上式表示热激发热激发时每个原子在平衡位置附近的振动会通过临近原子以行波行波的形式在晶体内传播晶体内传播。一维原子点阵中的格波一维原子点阵中的格波波长=2/K频率 波速=2/K第5章材料的热性能材料物理性能- 11 -格 波 的 特 性 格波是在格波是在晶格晶格中传播的一种波，具有与中传播的一种波，具有与传播介质传播介质自身特性相关的自身特性相关的一系列特性。一系列特性。1.1.波矢取值的有限性波矢取值的有限性两个波的波矢K相差2/a 的整数倍时，它们对一个原子所产生的振动是完全相同的。即对某一确定的振动状态，可有无限多个波矢

7、K，它们之间相差2/a 的整数倍。2.2.色散关系色散关系)2/sin(/2aKm表明波速是波长的函数。这种不同于弹性波的特性称为格波的振动频谱振动频谱。只取(-/a /a)第5章材料的热性能材料物理性能- 12 -格 波 的 特 性 3.3.波矢取值的分立性波矢取值的分立性实际晶体是有限大的，存在晶体边界，对内部原子的振动状态存在影响。解得：对一维单式晶格，考虑周期性边界条件。nNnxx)(exp)(expaKNntinaKti玻恩-卡门边界条件LmNamK/2)/(2,.)2, 1(m波矢波矢K不是连续的，只能取不是连续的，只能取N个分立值。个分立值。第5章材料的热性能材料物理性能- 13

8、 -简谐振子的能量本质热量热量晶格晶格晶格振动晶格振动电子缺陷和热缺陷电子缺陷和热缺陷频率为频率为v晶格波（振子）晶格波（振子）振动振幅的增加振动振幅的增加振子的能量增加振子的能量增加以声子为单位增加振子能量（即能量量子化）以声子为单位增加振子能量（即能量量子化）进入能量表现引发表现引发增加表现能量表现方式第5章材料的热性能材料物理性能- 14 -声子的概念 根据量子力学中的根据量子力学中的“波粒二象性波粒二象性”类似于把看成一样，把量子化量子化的格波也看成某种微粒，称为声子。1.声子的能量决定于声子的能量决定于它的频率它的频率v。En =nhv+ 1/2 hv 3n210图 一维双原子点阵中

9、的格波(a) 声频支声频支；(b) 第5章材料的热性能材料物理性能- 15 -热容的本质 反映晶体受热后激发出的晶格波与温度的关系； 对于N个原子构成的三维晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率频率不同，激发出的声子能声子能量量也不同； 温度升高，原子振动的振幅增大振幅增大，该频率的声声子数目子数目也随着增大； 温度升高，在宏观上表现为或，实质上是各个频率声子数声子数发生变化。第5章材料的热性能材料物理性能- 16 -固体热容理论2.振子在不同能级的分布服从玻尔兹曼能量分布规律振子在不同能级的分布服从玻尔兹曼能量分布规律根据玻尔兹曼能量分布规律，振子具有能量nhv的几率：)exp(kT

10、nhv3. 在温度在温度TK时以频率时以频率v振动振子的平均能量。振动振子的平均能量。00)exp()exp(kTnhvkTnhvnhv1)exp(kThvhvT第5章材料的热性能材料物理性能- 17 -4. 在温度在温度TK时的平均声子数时的平均声子数1)exp(1kThvhvn说明：受热晶体的温度升高，实质上是晶体中热激发出声子声子的数目数目增加。5. 振子是以振子是以不同频率格波叠加不同频率格波叠加起来的合波进行运动起来的合波进行运动晶体中的振子（）不止是一种，而是一个频谱频谱。固体热容理论第5章材料的热性能材料物理性能- 18 -固体热容理论分析具有N个原子的三维晶体：每个原子的自由度

11、为3，共有3N个频率，在温度TK时，晶体的平均能量：NiiiiNivgkThvhvvgvE3030)(1)exp()()(某频率所可能具有的谐振子数谐振子数，由频率分布函数决定：)(vg则有：03)(Ndvvg换用积分形式表示：换用积分形式表示：第5章材料的热性能材料物理性能- 19 -固体热容理论平均能量可以写成：dvvgkThvhvE)(1)exp(0等容热容：VVTEC)(说明：用量子理论求热容时，关键是求频率的分布函数。常用爱因斯坦模型和德拜模型。第5章材料的热性能材料物理性能- 20 -爱因斯坦量子热容理论将固体中的每个原子都考虑为彼此无关的独立振子，并且都以相同频率振动。对包含N0

12、个原子的固体，可推导出：) 1exp(3300kThvhvNNE引用晶格振动能量量子化晶格振动能量量子化的概念，把原子振动视为谐振子。220.1)exp()exp()(3kThvkThvkThvkNTECVmV第5章材料的热性能材料物理性能- 21 -爱因斯坦量子热容理论khvE220.1)exp()exp()(3TTTkNCEEEmV令则爱因斯坦温度爱因斯坦温度1.当温度很高时，TE.)(! 31)(! 211)exp(32TTTTEEEETE1220.1)exp()exp()(3TTTkNCEEEmV220)(1)(3TTTkNEEERkNA33高温下倾向于杜隆珀替定律杜隆珀替定律第5章材

13、料的热性能材料物理性能- 22 -爱因斯坦量子热容理论2.当温度很低时，hvkT, TDxeTxD1, 0/)./(9 .243.KmolJRCmV与杜隆珀替定律杜隆珀替定律等效等效2.当温度很低时，hvmaxkT, TD 0vmax范围内所有的振动模式都能被激发。每个振动模式的平均能量是kT， 此时经典的杜隆珀替定律成立。2.当T0K时，EF附近kT范围内的部分电子，受热激发，获得能量后跃到EF以上能级。即温度变化时，只有一小部分的电子受到温度的影响。1exp1)(kTEEFEf第5章材料的热性能材料物理性能- 29 -金属材料的热容当T0K时电子平均能量2020125153FEkTEEF则

14、摩尔电子热容：TEkZRTECFmem022R为气体常数；Z为金属原子价数；k 为玻尔兹曼常数；为0K时金属的费米能。0FE第5章材料的热性能材料物理性能- 30 -金属材料的热容可以计算出常温下1mol Cu中的电子对摩尔热容的贡献大约为：0.6410-4RT，与常温下原子振动对摩尔热容的贡献（3RT）相比，是可以忽略的。当温度很低时(TD时， CP趋于定值，而却连续升高。这是由于空位空位等缺陷的增加对热膨胀系数的贡献。第5章材料的热性能材料物理性能- 65 -Cv原子活性原子活性振幅增长振幅增长图 Al2O3的热膨胀系数、热容随温度变化的曲线热膨胀和热容第5章材料的热性能材料物理性能- 6

15、6 -热膨胀和热容格律乃森（Gruneisen)从晶格振动的热容理论推导出立方晶系金属热膨胀系数和热容间的关系式：mVmcVK,。对于一般材料：；子非线性振动的物理量格律乃森常数，表示原摩尔体积，体积模量，定容摩尔热容，体膨胀系数，5 . 25 . 1;13211,1molmVmNKKmolJcKmmV根据根据格律乃森公式格律乃森公式可以大致估算可以大致估算体膨胀系数体膨胀系数。第5章材料的热性能材料物理性能- 67 -固态体膨胀极限方程CVVV00TM。对于某些陶瓷材料，有。，式中：对于金属：。、正方：如六方、立方结构：关，为常数，与晶格类型有时固体的体积，、对应熔点、620100 . 70

16、38. 0:1024. 717. 1,0276. 0076. 006. 00KMnMMTTAnTACCCTVVM格律乃森（Gruneisen)还提出：物体熔点越低，物质的膨胀系数越大物体熔点越低，物质的膨胀系数越大，反之亦然。，反之亦然。第5章材料的热性能材料物理性能- 68 -1、原子结合力、原子结合力（键强）原子结合力原子结合力原子活性原子活性振幅增长振幅增长金属和无机非金属材料的金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；线膨胀系数较小；热膨胀的影响因素表 某些单质晶体的原子半径与结合能、熔点及膨胀系数的关系 聚合物材料的线膨胀系数聚合物材料的线膨胀系数则较大。则较大。第5章材料的热性能材料物

17、理性能- 69 -热膨胀的影响因素2、温度、温度 T膨胀系数膨胀系数与热容与温度之间的关系类似。与热容与温度之间的关系类似。3、相变、相变，膨胀系数曲线有拐点；如有序-无序转变见图5.33。图 相变时、L与T关系（a）一级相变 （b）二级相变膨胀系数曲线有突变；如纯铁加热见图5.30，5.31。第5章材料的热性能材料物理性能- 70 -热膨胀的影响因素4、晶体空位、晶体空位T)kTQexp(-BVV0Q为空位形成能；V0是晶体0K时的体积。5、晶体结构、晶体结构对称晶体（立方晶体）对称晶体（立方晶体）非对称晶体（六方晶体）非对称晶体（六方晶体）热膨胀系数有各向异性，见表见表5.85.8 TT3

18、）xZT2( 对于非等轴晶系的晶体，其单晶体在具有。其中最显著的是的材料。：由于原子键的结合力强，方向的线膨胀系数小，为;而的结合力弱得多，在方向具有较大的线膨胀系数，为。第5章材料的热性能材料物理性能- 71 -热膨胀的影响因素7、磁性转变、磁性转变如图5.34和图5.35所示，铁磁性金属及其合金在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰。因瓦合金（Invar alloy）可伐合金（Kovar alloy）磁致伸缩抵消了正常热膨胀？磁致伸缩抵消了正常热膨胀？6 、结构致密程度、结构致密程度 的晶体，膨胀系数较；而类似于无定形的玻璃，往往有较小的膨胀系数。原因是因为玻璃的结构较疏松，内部空隙多，这样当

19、温度升高时，原子振幅加大，增加时，部分地被结构内部的所，而整个物体的就少些。如如:石英晶体石英晶体 1210-6 /K ;石英玻璃石英玻璃0.510-6/K第5章材料的热性能材料物理性能- 72 -.成分对热膨胀的影响a、固溶体合金绝大多数金属形成单相固溶体时，其膨胀系数介于组元的膨胀系数之间。如Cu-Au, Cu-Ni, Ag-Au等。在有些系统中膨胀系数并不主要决定于溶质元素的膨胀系数，而是决定于溶质元素的。如Ag-Cd,In,Sn,Sb。b、形成化合物一般来说，由于的，导致其比固溶体有较大的。热膨胀的影响因素第5章材料的热性能材料物理性能- 73 -膨胀系数匹配性原则 对于多相复合材料，

20、当组成相的膨胀系数差别较大时，会产生较大的、甚至开裂。所以在进行材料设计时必须考虑膨胀性能的匹配。电子管生产：电子管生产：最常见的是金属与陶瓷（玻璃）的封接。为了封接得严密可靠，除了必须考虑陶瓷材料与焊料的结合性能外，还应该使陶瓷和金属的膨胀系数尽可能接近。复合材料：复合材料：增强相与基体的膨胀系数一般相差较大，一般要对增强相进行表面预处理。预处理主要考虑：、。第5章材料的热性能材料物理性能- 74 -热膨胀的测量一、千分表简易膨胀仪二、光学膨胀仪三、差动变压器式膨胀仪第5章材料的热性能材料物理性能- 75 -膨胀测量在材料研究中的应用1.测定钢的临界点 图5.37 ， 5.452.测定钢的过

21、冷奥氏体等温转变曲线（TTT曲线）图5.463.测定钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线） 图5.504.研究快速升温时金属相变及合金时效动力学5.研究晶体缺陷参看钢的热膨胀特性参看钢的热膨胀特性第5章材料的热性能材料物理性能- 76 -膨胀合金定膨胀合金低膨胀合金可伐合金（Kovar alloy）热双金属材料由膨胀系数不同的两种金属片沿层间焊合在一起的叠层复合材料；较高膨胀系数金属层为主动层，较低的为被动层。如5J11热双金属是由Mn75Ni15Cu10(主动层）与Ni365(被动层)组成。受热时，双金属片向被动层弯曲，将热能转化成机械能。可用作各种测量和控制仪表的传感元件。Mn75Ni15Cu

22、10Ni365热灵敏度表5.12因瓦合金（Invar alloy）表5.10具有一定的磁性精密仪器、标准量具表5.11玻璃、陶瓷封装材料第5章材料的热性能材料物理性能- 77 -材料的导热性(宏观)当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地传向冷端，这个现象称为热传导热传导。对于各向同性物质，热传导符合傅立叶定律，即T1T2T2 T1gradTdxdTq稳态时：内通过垂直截面上的热流密度q正比于温度梯度，其比例系数为热导率热导率（导热系数）。第5章材料的热性能材料物理性能- 78 -物理意义：反映该材料的导热能力。单位：W/(m.K)。热导率(物性参数)单位温度梯度下，单位时间内通

23、过单位垂直截面积的热量。10-310-210-110-0101102103104人工热人工热管管导电介质导电介质0.0260.12人工材料人工材料超级绝缘材料超级绝缘材料干空气干空气热绝缘热绝缘材料材料建筑材料建筑材料合金合金 纯金属纯金属银银427铜铜3990.12 W/(m.K）平均温度不超过350保温材料保温材料(GB 4272-94)第5章材料的热性能材料物理性能- 79 -热扩散率(导温系数) 傅立叶定律只适用于的条件下，即传热过程中，材料在x方向上各处的温度T是恒定的、与时间无关。对于非稳定非稳定传热过程，存在以下关系式：22PxTctTPc热扩散率，导温系数。表示非稳定导热过程中

24、温度变化的速度。材料的密度cp材料的恒压热容第5章材料的热性能材料物理性能- 80 -材料的导热性(宏观)气体气体：分子热运动和相互碰撞分子热运动和相互碰撞 T T 液体液体-对流和分子碰撞。对流和分子碰撞。第5章材料的热性能材料物理性能- 81 -材料的导热性(微观)固体-原子的位置固定，只能在格点附近作热振动，不能靠原子碰撞传热。非金属晶体(如离子晶体)金属以传热为主，自由电子多，且质量小，所以能迅速的传热。其较高，格波的贡献很次要。自由电子极少，为主要导热机制固体传热依靠晶格振动的格波(声子)和自由电子的运动以及电磁辐射(光子)来实现。第5章材料的热性能材料物理性能- 82 -金属的热传

25、导纯金属，自由电子可视为电子气纯金属，自由电子可视为电子气借用理想气体热导率的表达式：l vCe31代入单位体积电子热容：且有：nEkTkCF0222021FFFmvEE推出：FFevlmTnk322且金属电导率可写为：FFmvlne2TLe0/魏德曼魏德曼- -弗兰兹定律弗兰兹定律第5章材料的热性能材料物理性能- 83 -金属的热传导可解得：2280/1045. 2KVL成立条件：成立条件：1. 温度高于德拜温度2. 对电导率较高的金属电子对导热的贡献大，晶格振动贡献可忽略。自由电子数目多，可看做理想自由电子气，对热传导的贡献也大。对纯金属而言，良导电体也应该是良导热体。对纯金属而言，良导电

26、体也应该是良导热体。第5章材料的热性能材料物理性能- 84 -影响金属热导率的因素电导率电导率导热系数导热系数 金属金属 晶粒晶粒愈粗愈粗 金属金属 杂质杂质 金属金属晶粒越细晶粒越细 晶界散射晶界散射 ， 金属金属 金属中金属中掺入任掺入任何杂质何杂质破坏晶格完整性干扰自由电子的运动 纯金属 合金第5章材料的热性能材料物理性能- 85 -温度温度使使 金属金属先升后降先升后降影响金属热导率的因素a.T电子活性 金属金属b. T晶格点阵振动电子波动阻力 金属金属第5章材料的热性能材料物理性能- 86 -T大具有大具有:较多的振动模式较多的振动模式较大的振动振幅较大的振动振幅较多的声子被激发较多

27、的声子被激发较多的声子数较多的声子数较少的振动模式较少的振动模式T小具有小具有:较小的振动振幅较小的振动振幅较少的声子被激发较少的声子被激发较少的声子数较少的声子数平衡时：平衡时：同样多的振动模式同样多的振动模式同样大的振动振幅同样大的振动振幅同样多的声子被激发同样多的声子被激发同样多的声子数同样多的声子数声子导热机制声子从高浓度区声子从高浓度区域到低浓度区域域到低浓度区域的扩散过程。的扩散过程。从晶格格从晶格格波的声子波的声子理论可知理论可知热传导过程热传导过程-声子扩散过程中声子扩散过程中的各种散射。的各种散射。热阻热阻理想晶体理想晶体中的热阻可归结为与/的碰撞。 第5章材料的热性能材料物

28、理性能- 87 -声子导热机制理想晶体理想晶体中的热阻可归结为与/的碰撞。 dl vcV31l vcV31cV 为声子的体积热容，是声子振动频率声子振动频率的函数cV=f ()； v为声子的平均速度，与、有关，与角频率无关；l为声子的平均自由程，亦是声子振动频率的函数l=f()。第5章材料的热性能材料物理性能- 88 -声子的平均自由程振动频率不同，波长波长不同。波长，格波易绕过缺陷，声子平均自由程，散射，因此热导率。 晶体中热量传递速度很迟缓，因为晶格热振动并非线性，格因为晶格热振动并非线性，格波间有着一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，使声子的平均波间有着一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，使

29、声子的平均自由程减小。自由程减小。 格波间相互作用，声子间碰撞几率，相应平均自由程热导率。声子间碰撞引起的是晶体中热阻主要来源。晶体中各种缺陷缺陷、杂质杂质及晶界晶界 格波的散射 ，声子平均自由程，热导率。温度T，振动能量，振动频率，声子间的碰撞，平均自由程 减小。 减小有一定限度，在高温下，最小 等于几个晶格间距；在低温时，最长 长达晶粒的尺度。第5章材料的热性能材料物理性能- 89 -影响合金热导率的因素固溶体中固溶体中溶质含量溶质含量 （无序无序固溶体）固溶体） （有序有序固溶体）固溶体）（导热按有序的点阵通道进行）（导热按有序的点阵通道进行） （奥氏体）（奥氏体） （淬火马氏体）（淬火

30、马氏体） （回火马氏体）（回火马氏体） （珠光体）（珠光体）（原子致密度愈大，或畸变大，（原子致密度愈大，或畸变大， 愈小。）愈小。） 合金钢合金钢 碳钢碳钢 （合金钢中强化相多，晶格畸变大）（合金钢中强化相多，晶格畸变大）温度温度 先升后降先升后降第5章材料的热性能材料物理性能- 90 -无机非金属的热传导主要机制是声子导热。主要机制是声子导热。由于质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在由于质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动就会加剧、热振动振动较强的质点的影响下，振动就会加剧、热振动能量就增加。能量就增加。设晶格中一质点处于较高的温度状态下设晶格中一质点处于较

31、高的温度状态下，其热振动其热振动较强烈，而其邻近质点处的温度较低，热振动较弱。较强烈，而其邻近质点处的温度较低，热振动较弱。由此热量就能转移和传递，由此热量就能转移和传递，使在整个晶体中热量使在整个晶体中热量会从会从温度高温度高处传向处传向低温低温处，产生处，产生热传导热传导现象现象。第5章材料的热性能材料物理性能- 91 -影响无机材料热导率的因素温度温度先升后降先升后降（T原子活性原子活性; T：原子链倾于解体）：原子链倾于解体）原子轻原子轻,原子体积小原子体积小,原子间结合力较大原子间结合力较大(德拜温度德拜温度) 原子链易波动，但不易断原子链易波动，但不易断 点阵有序性点阵有序性( (

32、晶格简单，晶粒尺寸大，杂质少晶格简单，晶粒尺寸大，杂质少) ) ( (波动通道有规可循波动通道有规可循) )气孔率气孔率 （多孔陶瓷：绝热，保温性好，气孔处传热介质链中断）（多孔陶瓷：绝热，保温性好，气孔处传热介质链中断）第5章材料的热性能材料物理性能- 92 -导热机制 固体材料中质点的、等运动状态的改变，会辐射出频率较高的图 一维双原子点阵中的格波(a) 声频支声频支；(b) 波长在0.440 m间可见光部分与部分近红外光，具有较强热效应。 cTnET/443为斯蒂芬-玻尔兹曼常数 n为折射率 c为光速 cTnTEcV3316ncvrl vcV31rrlTn32316第5章材料的热性能材料

33、物理性能- 93 -导热机制对于辐射线是透明的介质，热阻很小，对于辐射线是透明的介质，热阻很小，lr很大；很大；光子的热导率r大小极关键地取决于光子的平均自由程lr 对于辐射线不透明的介质，热阻较大，对于辐射线不透明的介质，热阻较大，lr很小；很小；对于辐射线是完全不透明的介质，对于辐射线是完全不透明的介质，lr=0，辐射传热忽略。，辐射传热忽略。光子的平均自由程lr还与材料对光子的吸收吸收和散射散射有关。 吸收系数小吸收系数小的透明材料，当温度为几百摄氏度时，光辐射光辐射是主要的是主要的；吸收系数大的不透明材料，即使在高温下光子的传导也不重要。在陶瓷材料中，主要是问题，使得lr比玻璃和单晶都

34、小，只是在1 773 K以上，才是主要的，高温下的陶瓷呈半透明的亮红色。第5章材料的热性能材料物理性能- 94 -图 Al2O3单晶的热导率随温度变化曲线声(光)子导热机制分析图 非晶体热导率曲线图 晶体和非晶体的热导率曲线第5章材料的热性能材料物理性能- 95 -热电性 (thermoelectric)1921年，塞贝克效应（热电效应）年，塞贝克效应（热电效应）当两种不同材料AB（导体或者半导体）组成回路，且两接触处温度不同时，则在回路中存在电动势。大小与和有关。ABTT+TT T0 0温度较小时，电动势和温差之间有线性关系。TSEABAB热电偶测量第5章材料的热性能材料物理性能- 96 -

35、常用热电偶材料常用热电偶材料铜-康铜-200400镍铬-镍铝1300铂铑-铂1350，短期可达1600 钨-铼2500，短期可达2800 金-铁-2690第5章材料的热性能材料物理性能- 97 -材料的热稳定性 是指材料承受的而不致的能力，故又称为（thermal shock resistance）。 材料发生瞬时瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能。材料在热冲击作用下，材料表面、，并不断，最终或，抵抗这类破坏的性能。 对于脆性脆性或材料，尤其重要。对于一些材料，是主要的问题。（Thermal Stability）第5章材料的热性能材料物理性能- 98 -材料的热稳定性表示将试样一端加热到850 并保

36、温40 min，然后置于1020 的流动水中3 min或在空气中510 min。重复操作，直至试样失重20%为止，以这样来表征材料的热稳定性。以加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其的来评定它的热稳定性。要求样品具有经受从165 保温1 h后立即取出投入19 水中，保持10 min，在150倍显微镜下观察不能有裂纹，同时其不应有变化。以一定规格的试样，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，直至观测到试样发生龟裂，则以产生龟裂的来表征其热稳定性。第5章材料的热性能材料物理性能- 99 -热应力(thermal stress)a) 构件因热胀或冷缩收到限制时产生

37、应力0TTELLEl冷却过程的热应力为，当热应力材料的抗拉强度时材料将断裂。b) 材料中因存在温度梯度而产生热应力 固体材料受热或冷却时，内部的温度分布与样品的大小和形状以及材料的热导率和温度变化速率有关。当物体中存在温度梯度时，就会产生热应力。因为物体在加热或冷却时，的比内部。外表的比内部，因而的便受到，于是产生。 c) 多相复合材料因各相膨胀系数不同面产生的热应力具有的多相复合材料，可以由于结构中各相膨胀收缩的而产生热应力。例如上釉陶瓷制品由于坯体和釉层的热膨胀系数不同而在坯体和釉层间的产生的热应力。例如，一块玻璃平板从例如，一块玻璃平板从373 K的沸水中掉入的沸水中掉入273 K的冰水

38、浴中，假设表面层在瞬间降的冰水浴中，假设表面层在瞬间降到到273 K，则表面层趋于，则表面层趋于T=100的收缩，然而，此时，内层还保留在的收缩，然而，此时，内层还保留在373 K，并，并无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。而内层有一相应的压应力。无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。而内层有一相应的压应力。第5章材料的热性能材料物理性能- 100 -热应力的计算 0TEEElzyxx0TEEElyxzzTEEElzxyyTElzx1ETff1max对于其它非平面薄板状材料制品，引入形状因子S，则有令材料的极限抗拉强度f ESTf1max第5章材料的热性能材料物理性能- 101 -(

39、1)第一热应力断裂抵抗因子RERlf1表 某些材料的R的经验值Tmax值愈大，说明材料能承受的愈大，即热稳定性愈好。 第5章材料的热性能材料物理性能- 102 -a) 材料的热导率b) 传热的途径c) 材料表面散热速率mhr为毕奥（Biot）模数。，持续一定时间后很快，对有利。与材料或制品的有关，薄的制品短，很快使。如果材料向外（，例如吹风），材料内、外温差变大，热应力也大。R第5章材料的热性能材料物理性能- 103 -(a)Bi(a)Bi (b)Bi 0(c)Bi 为有限大小导热热阻起决定作用，对流传热等待内部导热,故 tw t 。导热热阻极小，内部温度趋于一致。内外热阻共同起作用第5章材料的热性能材料物理性能- 104 -图 不同的无限平板的随时间的