1、无机非金属材料性能,热学性能和抗热震性张国庆兰州理工大学 材料学院,,航天应用,,热学性能,无机材料的热学性能包括熔点、比热容、热膨胀系数和热导率等，抗热震性（或抗热冲击性）是指材料承受温度骤变而不至于被破坏的能力，它是材料的热学与力学性质的综合表现，同时还受构件几何特征和环境介质等因素的影响。,,热学性能,热学性能的物理基础,晶格热振动：固体材料是由构成材料的质点（原 子、离子）按一定晶格点阵排列堆积而成，一定温度下，点阵中的质点总是围绕其平衡位置作微小的三维振动，这称为晶格热振动。,晶格热振动：非简谐运动晶格热振动是诸原子的集体振动,简谐振动，F-r 线性,非简谐振动，F-r 非线性,,热
2、学性能,热学性能的物理基础,晶格热振动是诸质点的集体振动，各质点热运动时动能总和就是该物体的热量。,晶格热振动-3维方向振动,质点的热振动,,热学性能,热学性能的物理基础,格波：固体材料中各质点在其平衡位置做振动， 当温度，质点振动频率,例如：一维晶格：,材料质点间有很强的相互作用力（斥力、引力），一个质点的振动会影响相邻质点的振动。,相邻指点间的振动存在一定的位相差，每个质点振动可以看成以弹性波的形式在晶格中传播，称为格波。,,热学性能,熔点,材料的耐热性一般用高温强度、抗氧化性以及耐烧蚀等因子来判断。要成为耐火材料，首先应该具有搞得熔点。熔点是维持晶体结构的原子间结合力大小的反映，原子间结
3、合力越大，原子的热振动越稳定，越能将晶体结构维持到更高的温度，熔点也就越高。,,热学性能,比热容,比热容（specific heat）是指单位质量的材料要升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量。,固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现.,,T 曲管温度计； P 搅拌器 ； J 套筒；C 量热器桶； G 保温用玻璃棉,m0 水的质量C0 水的比热T3 混合后终温T2 样品初温T1 水初温,热学性能,比热容的测量-混合法,,热分析技术,热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质（质量、温度、热焓、尺寸、机械、声学、电学等）随温度变化的一类技术。,,TG/DTA仪器原理图 1测量系统
4、；2加热炉；3温度程序控制器；4记录仪,差热分析 DTA,应用：熔化及结晶转变、氧化还原反应、裂解反应等的分析研究。,热重法 TG应用：样品的失水、分解等反应过程。,热分析技术,,热膨胀系数,热学性能,、热膨胀机理,热膨胀实质：振动原子的平均位置随温度升高而改变，导致原子平均间距增大。 可从以下两方面解释： 1 质点间力原子间距 关系 2 质点势能质点间距关系,,热学性能,热膨胀系数,、热膨胀系数与熔点,结合能越大，则熔点越高，而越小。,格留乃申方程反映了这种相反的变化趋势,Tm 熔点 V Tm熔点时的体积V0 0K时的体积,,热学性能,Al2O3 的比热容、线膨胀系数与温度的关系,、热膨胀与
5、热容,热膨胀系数,TD , 高温下热缺陷大量生成，故增大较显著,热容：温度升高1K时，所增加的能量，热膨胀：材料受热，质点能量增加，引起体积增加。,,热学性能,热膨胀系数,、热膨胀系数与键型、晶体结构等的关系,,热学性能,热膨胀系数,5、玻璃的热膨胀,,热学性能,,热学性能,热导率、定义：又称导热系数，反映物质的热传导能力。按傅里叶定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量。,热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端，这个现象称为热传导。,,热学性能,热导率、固体材料的热传导微观机制,气体（分子构成）分子可以在空间自由
6、运动,金属材料（正离子和自由电子构成） 自由电子可以在整个金 属中自由运动,,热学性能,热导率、固体材料的热传导微观机制,非金属材料 自由电子很少 离子晶体（离子构成） 共价晶体（原子构成）这些质点可以在平衡位置上振动，形成格波，格波可以在整个材料中传播。,,热学性能,当存在温度差是，高温端，质点动能增加，和邻近温度低的质点碰撞程度增加，热量开始传递给温度低的质点，依次结果，热量就从高温端传到低温端。,热导率、固体材料的热传导微观机制,,热学性能,固体中的导热主要靠晶格振动的格波（声子）和自由电子的运动来实现：,热导率、固体材料的热传导微观机制,ph:声子热导率， e：电子的热导率除金属外，无
7、机非金属特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。,,热学性能,气体材料导热分子间直接碰撞，（导热性差）金属材料导热主要是自由电子间碰撞，无机非金属材料导热晶格振动（格波）， 格波分为声频支和光频支。 声子导热，光子导热。固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的。,热导率、固体材料的热传导微观机制,,热学性能,热导率、固体材料的热传导微观机制,() 电子热导,对于纯金属，电子是自由的，导热主要靠自由电子，合金导热要考虑声子导热的贡献。将金属中大量的自由电子看作是自由电子气，用理想气体的热导率公式描述：,：热导率（导热系数） C:单位体积气体的热容 :分子运动的平均速度 : 分子运动的平
8、均自由程,,铜合金的热性能,,热学性能,(2) 声子热导,热导率、固体材料的热传导微观机制,无机非金属特别是离子或共价键晶体，自由电子很少。主要通过质点振动形成格波，格波在材料中传播，来导热。,声子：质点热振动能量是量子化的， 声频波的间隔能级hv, hv是这种量子化弹性波的最小单位，称为量子或声子。声子能量: hv值大小,,温度平衡时：同样多的振动模式 同样多的振动振幅 同样多的声子数,,热学性能,从晶格格波的声子理论可知： 热传导过程是声子从高浓度区域到低浓度区的扩散过程。如果声子不发生碰撞，声子的扩散速度就是热量的传播速度。 但事实上，声子在扩散过程中肯定要发生碰撞。从而产生热阻。,热导
9、率、固体材料的热传导微观机制,热阻： 声子扩散过程中的各种散射,,热学性能,热导率、固体材料的热传导微观机制,(2) 声子热导,声子1,声子2,新声子,两声子发生碰撞，形成新声子的动量方向和原来两个声子矢量和方向相一致，热流方向不被破坏，此时无多大的热阻。,,热学性能,热导率、固体材料的热传导微观机制,(2) 声子热导,碰撞后，发生方向反转，从而破坏了热流方向产生较大的热阻。翻转过程（声子碰撞）,声子碰撞的几率：温度越高，声子间的碰撞频 率越高，声子的平均自由程越短。,声子间碰撞引起的散射是晶体热阻的主要来源。热阻增加，导热性变差。,,热学性能,(3) 光子热导,热导率、固体材料的热传导微观机
10、制,振动、转动,固体中的分子、原子和电子,电磁波（光子）,光子在介质中的传播过程-光子的导热过程。,电磁波中具有较强热效应的在可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程-热辐射,热辐射,传递能量,热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过程类似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。,,辐射源,T1,材料,T2,低温端 ：辐射量小吸收量大,辐射能量,热稳定状态 T3,高温端 ：辐射量大吸收量小,吸收能量,辐射,吸收,辐射,吸收,固体中的辐射传热过程的定性解释,,热学性能,热导率 3、热导的影响因素）、温度,,热学性能,热导率3、热导的影响因素）、温度,热导率,(1)
11、T对C的影响,T=0K, C=0T D C3R,,热学性能,(2) T对平均自由程 l 的影响,热导率 3、热导的影响因素）、温度,T，声子碰撞几率， l ，热阻 ， T ，声子碰撞几率 ， l ，热阻， ,平均自由程 l 最大可达晶粒尺寸 l 上限 最小为为晶格间距 l 下限,,热导率 3、热导的影响因素）、温度,T=0K，C=0, =0 T ， CT3， l是上限值， T3， T 再， T D，l是下限值 ， 趋于定值 T 再，光子导热， ,(3) T对的影响,热学性能,,热学性能,热导率 3、热导的影响因素 2）、显微结构的影响 (1)、晶体结构类型及其各向异性 声子导热与晶格振动的非简
12、谐性有关。晶体结构愈简单，化学键越强，晶格振动的谐性程度越高，声子平均自由程越大，热导率越高；反之，晶体结构越复杂，晶格振动的非谐性程度越大，格波受到的散射越大，声子平均自由程较小，热导率较低。 非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性。温度升高，晶体结构总是趋于更好的对称。因此，不同方向的差异变小。,,热学性能,热导率 3、热导的影响因素 2）、显微结构的影响 (2)、晶粒大小、形状、晶界、晶体缺陷和第二相,由于多晶体中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、杂质也多，声子更易受到散射，它的 l小得多，因此 l 小，故对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶小。,,热学性能,热导率 3、热导的影响因素 2）、显
13、微结构的影响 (3)、气孔,无机材料中常含有气孔，它对热导率的影响较为复杂，与气孔的形状、尺寸和含量的多少有关。与固体相比，气体的热导率很低，所以，一般可近似地将其看作零来处理。在不改变结构状态的情况下，气孔率增大，总是使热导率降低。这就是多孔或泡沫硅酸盐、纤维制品、粉末和空心球状陶瓷制品保温隔热的原理。,,热学性能,热导率 3、热导的影响因素 3）、化学组成的影响,不同组成的晶体，构成晶体的质点大小、性质不同，晶格振动状态不同，传热能力也会不同。,（1）物质组分原子量越小，形成格波的振动频率高，德拜温度D越大，则热导率愈大。,（2） 物质组分原子量相差越大，形成格波的振动频率相差越大，晶格的
14、非简谐振动越大，平均自由程l越小，则热导率愈小。,（3）晶体中存在的各种缺陷和杂质越多，声子的散射程度增加，平均自由程l越小，热导率变小。,,热学性能,热导率 4、非晶体的热导率 非晶：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列短程有序，无晶界。玻璃,氧化铍（Be2O3）晶体,Be2O3非晶玻璃,,热学性能,中低温（400600K）以下，光子导热可忽略不计。声子导热随温度的变化由声子热容随温度变化规律决定。高温度（600900K），随温度升高，声子热容趋于一常数，故声子导热系数曲线出现一条近平行于横坐标的直线。若考虑到此时光子导热的贡
15、献，热导率增加。,热导率 4、非晶体的热导率,：热导率（导热系数） C: 单位体积内声子比热 :分子运动的平均速度 : 声子运动的平均自由程,,热学性能,热导率 4、非晶体的热导率,晶体与非晶体导热系数曲线的差别： 非晶体的导热系数（不考虑光子导热）在所有温度下都比晶体的小。因为非晶的平均自由程 l小。 在高温下，二者比较接近。平均自由程 l 都接近晶格间距。 非晶体没有导热系数峰值点。,,热应力,热应力的分类 1、第一类热应力 由各向异性膨胀的晶粒组成的多晶体或多相材料，各个晶粒膨胀相等的方向是与系统的各个部分不一致，由此在晶体中产生的应力即为第一类热应力。 2、第二类热应力 第二类热应力是
16、指非组织因素导致的内应力，它可以出现在均匀材料中，主要有以下三种情况下产生： 1）稳态热流通过材料时，由于外力的作用限制了热膨胀二产生的热应力； 2）稳态热流通过材料时，因为形状或热传导导致的温度不均而产生的热应力； 3）非稳态热流通过材料时由于内部温度梯度而产生的热应力。,当热应力局部或整体超过材料的强度时，材料就会发生开裂或断裂。尤其是当第一类热应力和第二类热应力同时存在时，材料的破坏可能性更大。,,抗热震性,定义： 主要指陶瓷材料承受一定程度的温度急剧变化而结构不致被破坏的性能称为抗热震性（Thermal Shock Resistance），又称抗热冲击性或热稳定性。,大多数陶瓷在生产和
17、使用过程中都处于高温状态。而陶瓷材料的导热性差，因此，温度变化所引起的热应力，会导致陶瓷构件失效。材料承受温度剧变而不失效的能力称为材料的抗热震性。材料热震失效可分为两大类：一类是瞬时断裂，称之为热震断裂；另一类是在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏，称之为热震损伤。,,抗热震性,抗热震性 1、抗热震断裂,对于缓慢受热和冷却的陶瓷材料，抗热震断裂参数为,式中，k为热传导系数。,,抗热震性,实际上，陶瓷材料中不可避免地存在着或大或小、数量不等的微裂纹，在热震环境中出现的裂纹核也不总是导致材料断裂的根源。例如，气孔率为1020的非致密性陶瓷中的热震裂纹核往往受到气
18、孔的抑制。由能量原理可导出陶瓷的抗热震损伤参数为：,抗热震性 2、抗热震损伤,,抗热震性,抗热震性 3、抗热震性评价,可以看出，抗热震断裂与抗热震损伤对性能要求似乎有矛盾。 抗热震断裂要求高的强度、热导率和低的热膨胀系数、弹性模量、泊松比、热辐射系数及黏度，才能具有高的抗热震断裂能力；适度的降低材料密度和摩尔热容亦有利于改善陶瓷材料的抗热震性能。 抗热震损伤要求尽可能高的弹性模量和尽可能低的强度。适量的气孔、微裂纹存在于陶瓷材料中将提高抗热震损伤性。致密高强的材料易于炸裂，而多孔陶瓷适用于热震起伏的环境是由于抗热震损伤性能差异的缘故。,,抗热震性,抗热震性的影响因素及其改善途径 1、材料的成分及相组成,,抗热震性,抗热震性的影响因素及其改善途径 2、显微组织结构 1）、晶粒尺寸与形态 2）、气孔与微裂纹 3）、增强纤维的形态和排布、编织形式,Thank You !,
