课程62热性能rr概要.ppt

第六章 材料的性能 第二节材料的热性能 ? 6.2.1 热导率和比热容 ? 6.2.2 热膨胀性 6.2.3 耐热性 ? 6.2.3 热稳定性 ? 6.2.5 高分子的燃烧特性 热学性能：包括热容（thermal content），热膨胀（thermal expansion），热传导（heat conductivity），热稳定性（thermal stability）等。 6.2.1 热导率和比热容 6.2.1.1 热传递 热的移动方式有三种，即热传导、热辐射和热对流。前两种与材料内部结构有关；对流则受外界因素如空气和水等流体移动的影响。 热传导是基本的传递方式，与物质的结构、状态有关。其机制有：自由电子的传导、晶格振动传导（离子键和共价键晶体）和分子的传导等。 材料的基本物性：热导率?和比热容cp。 在固体中任一点上的热流量q正比于温度梯度：q= -?dT/dX，因此，在平板的两个表面保持T1和T2的温度，那么稳态热流量是： q= ?At(T1-T2) /d （A为平板面积，d为厚度，传热速度正比于热导率） 瞬态热流：固体中温度变化速率为： ?= ?/(cp?) （ ? 是密度，?是热扩散系数，温度上升的速度正比于?，反比于单位体积热容?cp。 6.2.1.2 热导率 ：是材料传输热量的速率的量度，当存在温度梯度?T/?X时，热导率和每秒通过给定截面A和热量Q相关： Q/A= ? ?T/?X ? = ?XQ/(A?T) (? 的单位为W.m-1.K-1或J.m-1s-1.K-1) 金属：高温区的自由电子得到动能后，向低温区迁移，在低温区与结构缺陷和声子（类似与光子）发生碰撞，结果将动能传递给原子，从而产生更多的声子，相应低温区的温度升高。低温区的电子也向高温区迁移。 有序晶体：良好的热导体。 分子固体和高分子等导热性能差。 AlN:六方 100 立方 300 根据量子理论、一个谐振子的能量是不连续的，能量的变化不能取任意值，而只能是最小能量单元——量子（quantum）的整数倍。一个量子所具有的能量为hv。晶格振动的能量同样是量子化的。声频支格波（acoustic frequency）—弹性波—声波（acoustic wave）—声子。把声频波的量子称为声子，其具有的能量为 hv=hω ，固体热传导公式： 式中，C＝声子体积热容，l＝声子平均自由程（mean free distance）， ＝声子平均速度（mean velocity）。 声子和声子传导 6.2.1.3 比热容 ：材料通过获得或失去声子而获得或失去能量。有重要意义的是材料温度每变化一度所需的能量或声子数，将这一能量称为热容。热容可定义为在没有相变或化学反应的条件下，将一摩尔材料的温度升高1?C所需的能量。单位为J.mol-1.K-1。定压热容Cp和定容热容Cv。 恒容时，所吸收的热量正好等于内能的增加，定容热容为：Cv=(dE/dT)v 恒压时，所吸收的热量等于焓的增加，恒压热容为： Cp=(dH/dT)p Cp一般大于Cv，在室温或更低温度两者非常接近。 比热容是指将一定质量材料的温度升高1?C所需的能量，单位为J.kg-1.K-1。比热容c＝热容/原子量。 对于固体材料CP与CV差异很小，见图3.2。 6.2.2 热膨胀性 大多数物质的体积随温度的提高而增加，这种现象称为热膨胀。就固体而言，受热体积增加是与原子（或分子）在热能增加时平均振幅的增大有直接联系。 体膨胀系数：温度每升高1?C所引起的体积相对变化，称为体积膨胀系数。 ?v=1/V(dV/dT) 线膨胀系数：?l=1/l(dl/dT), 立方固体和各向同性固体?v=3?l。 共价键材料与金属相比，一般具有较低的膨胀系数；离子键材料与金属相比，具有较高的膨胀系数。聚合物类材料与大多数金属和陶瓷相比有较大的热膨胀系数。 ?单晶或有择优取向的材料，可能具有各向异性的膨胀系数。 ?同素异构相变时，其尺寸可能发生突然的变化。开裂或裂纹。 ?并非所用温度下都是常数。 ?高弹材料：在应力作用下，其膨胀系数为负数。 ?纤维增强的各向异性材料，其热膨胀系数也与方向有关。 6.2.3 耐热性 耐热性是指在受负荷下，材料失去物理机械强度而发生形变的温度。 高分子材料的温度范围是很有限的。耐热性聚合物长期使用温度也未超过500?C。高分子材料主要适宜在常温及中温条件下使用。P329。 玻璃化转变温度Tg、软化温度Ts、熔融温度Tm。凡能使聚合物的Tg和Tm升高的结构因素，都使得聚合物的耐热性得以提高。交联、结晶和刚性链结构等。 刚性链结构是耐热性聚合物开发的一个主要方向，但溶解性 差，熔点非常高，给加工成型带来困难。P330 6.2.