第1-5講-熱傳導(dǎo)及熱穩(wěn)定性

1、基本概念：基本概念： 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 熱導(dǎo)率（熱導(dǎo)率（） 熱擴(kuò)散率（熱擴(kuò)散率（）基本規(guī)律：基本規(guī)律： 傅立葉（傅立葉（Fourier）定律：）定律： 魏德曼魏德曼-弗蘭茲定律：弗蘭茲定律：dxdTSdtdQLT熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(Thermal Conductivity(Thermal Conductivity）：）：（1）穩(wěn)定傳熱過程）穩(wěn)定傳熱過程: :定義定義dxdTSdtdQ傅立葉（傅立葉（FourierFourier）定律：）定律：熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo): :材料中熱量由高溫向低溫區(qū)域傳遞的現(xiàn)象。單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量。 導(dǎo)熱能力。對(duì)于一個(gè)外界無熱交換，本身又存在溫度對(duì)于一個(gè)外

2、界無熱交換，本身又存在溫度梯度的物體，單位面積上的溫度隨時(shí)間的梯度的物體，單位面積上的溫度隨時(shí)間的變化率為變化率為: :定義定義22xTctTp熱擴(kuò)散率：熱擴(kuò)散率：c（1 1）不穩(wěn)定傳熱過程）不穩(wěn)定傳熱過程: :導(dǎo)熱能力：導(dǎo)熱能力：儲(chǔ)熱能力：儲(chǔ)熱能力：CvCv熱擴(kuò)散率：熱擴(kuò)散率：魏德曼魏德曼- -弗蘭茲定律：弗蘭茲定律：許多金屬的熱導(dǎo)率與許多金屬的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比與溫度成正比：電導(dǎo)率之比與溫度成正比： / = LT聲子從高濃度到低濃度區(qū)域的擴(kuò)散過程。聲子從高濃度到低濃度區(qū)域的擴(kuò)散過程。 聲子擴(kuò)散過程中的各種散射。聲子擴(kuò)散過程中的各種散射。lcv31聲子平均自由程。聲子平均自由程。v格波的傳播

3、看成是質(zhì)點(diǎn)-聲子的運(yùn)動(dòng)；v格波與物質(zhì)的相互作用，則理解為聲子和物質(zhì)的碰撞；v格波在晶體中傳播時(shí)遇到的散射，則理解為 聲子同晶體質(zhì)點(diǎn)的碰撞；v理想晶體中的熱阻，則理解為聲子與聲子的碰撞。v晶體中，熱傳導(dǎo)的實(shí)質(zhì)就是碰撞。 光子的導(dǎo)熱：光子的導(dǎo)熱：光子在介質(zhì)中的傳播過程光子在介質(zhì)中的傳播過程 （光的散射、衍射、吸收、反射和折射）（光的散射、衍射、吸收、反射和折射）熱輻射：熱輻射：熱射線的傳遞過程熱射線的傳遞過程（可見光與部分近紅外光的區(qū)域）（可見光與部分近紅外光的區(qū)域）溫度的影響溫度的影響 顯微結(jié)構(gòu)的影響顯微結(jié)構(gòu)的影響 化學(xué)組成的影響化學(xué)組成的影響 氣孔的影響氣孔的影響 溫 度 較 低 時(shí) ， 主

4、要 是 聲子傳導(dǎo) 自由程則有隨溫度的升高而迅速降低的特點(diǎn)高溫時(shí),則迅速降低， 在40K附近，出現(xiàn)極大值。當(dāng)達(dá)到1600K時(shí)，由于輻射傳熱，又有所升高 熱導(dǎo)率隨溫度的變化熱導(dǎo)率隨溫度的變化幾種不同晶型的無機(jī)材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系幾種不同晶型的無機(jī)材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系晶體和非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線晶體和非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線MgO-NiO的固溶體的熱導(dǎo)率的固溶體的熱導(dǎo)率抗熱沖擊斷裂性：抗熱沖擊斷裂性：材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂；材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂；抗熱沖擊損傷性：抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表面開裂、剝落、并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。面開裂、剝落、并不斷發(fā)展，最終

5、碎裂或變質(zhì)。 熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。熱沖擊損壞的類型：熱沖擊損壞的類型：熱穩(wěn)定性的表示方法熱穩(wěn)定性的表示方法1 . 一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于室溫的流動(dòng)水中急冷，并逐次提高溫度和重復(fù)急冷，室溫的流動(dòng)水中急冷，并逐次提高溫度和重復(fù)急冷，直至觀察到試樣發(fā)生龜裂，則以產(chǎn)生龜裂的前一次加直至觀察到試樣發(fā)生龜裂，則以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度熱溫度表示。（日用瓷）表示。（日用瓷）2 . 試樣的一端加熱到某一溫度，并保溫一定時(shí)

6、間，然試樣的一端加熱到某一溫度，并保溫一定時(shí)間，然后置于一定溫度的流動(dòng)水中或在空氣中一定時(shí)間，重后置于一定溫度的流動(dòng)水中或在空氣中一定時(shí)間，重復(fù)這樣的操作，直至試樣失重復(fù)這樣的操作，直至試樣失重20%為止，以其操作次為止，以其操作次數(shù)數(shù)n表示。表示。耐火材料耐火材料 ： 1123K； 40min ； 283293K； 3(5!0)min3 . 試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測(cè)其抗試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測(cè)其抗折強(qiáng)度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標(biāo)。（高溫結(jié)構(gòu)折強(qiáng)度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標(biāo)。（高溫結(jié)構(gòu)材料）。材料）。熱應(yīng)力：由于溫度變化而引起的應(yīng)力熱應(yīng)力：由于溫度變化而引起

7、的應(yīng)力在復(fù)合體中，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)之間或在復(fù)合體中，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)之間或結(jié)晶學(xué)方向有大的差別，形成應(yīng)力，如果該應(yīng)力結(jié)晶學(xué)方向有大的差別，形成應(yīng)力，如果該應(yīng)力過大，就可以在復(fù)合體中引起微裂紋。過大，就可以在復(fù)合體中引起微裂紋。在材料中存在微裂紋，測(cè)出的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)滯在材料中存在微裂紋，測(cè)出的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象后現(xiàn)象- 膨脹系數(shù)低于單晶的膨脹系數(shù)。膨脹系數(shù)低于單晶的膨脹系數(shù)。例如：在一些例如：在一些TiO2組成物中，有此現(xiàn)象。組成物中，有此現(xiàn)象。0 400 800 1200 溫度（溫度（0C）0.80.60.40.20.0膨脹（膨脹（%）由于存在顯微由于存在顯微裂紋而引起的

8、裂紋而引起的多晶的熱膨脹多晶的熱膨脹滯后現(xiàn)象滯后現(xiàn)象1. 熱應(yīng)力的產(chǎn)生熱應(yīng)力的產(chǎn)生（1）熱膨脹或收縮引起的熱應(yīng)力）熱膨脹或收縮引起的熱應(yīng)力當(dāng)物體固定在支座之間，或固定在不同膨脹系數(shù)的當(dāng)物體固定在支座之間，或固定在不同膨脹系數(shù)的材料上，膨脹受到約束時(shí)，在物體內(nèi)就形成應(yīng)力材料上，膨脹受到約束時(shí)，在物體內(nèi)就形成應(yīng)力-（顯微應(yīng)力）。（顯微應(yīng)力）。 熱應(yīng)力引起的斷裂破壞，還要涉及散熱熱應(yīng)力引起的斷裂破壞，還要涉及散熱問題，因?yàn)檫@一個(gè)問題可緩解材料中的熱問題，因?yàn)檫@一個(gè)問題可緩解材料中的熱應(yīng)力，一般有如下規(guī)律應(yīng)力，一般有如下規(guī)律: : 熱導(dǎo)率越高，傳熱越快，有利于熱穩(wěn)定熱導(dǎo)率越高，傳熱越快，有利于熱穩(wěn)定; ; 傳熱途徑傳熱途徑( (通道通道) )短，易使材料中的溫度均勻短，易使材料中的溫度均勻; ; 表面散熱速率。該速率大，內(nèi)外溫差就大，表面散熱速率。該速率大，內(nèi)外溫差就大， 熱應(yīng)力就高，熱應(yīng)力就高， 就越不利于熱穩(wěn)定性就越不利于熱穩(wěn)定性。表面熱傳遞系數(shù)表面熱傳遞系數(shù)h h材料表面溫度比周圍環(huán)境材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度高溫度高1K1K時(shí)在單位