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

2、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

3、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

4、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。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

5、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

6、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，要求集成块的基底材料导热性能优良。以免集成块温度骤增，热噪声

7、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

8、振动。设每个质点的质量为m，在任一瞬间该质点在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）