第四章第四講材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)顧宜課件

4－2材料的熱性能

ThermalPerformanceofMaterialsThermal-physicalpropertiesthermalconductivityheatcapacitythermalexpensionheatresistanceThermal-chemicalpropertiesthermalStabilityflameretardancy1精選課件ppt4－2材料的熱性能(thermalperformance)

熱導(dǎo)率熱物理性能：比熱容熱膨脹耐熱性熱化學(xué)性能：熱穩(wěn)定性燃燒特性4－2－1材料的熱學(xué)性質(zhì)(thermalproperty)1.熱傳遞三種方式：熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流2精選課件ppt熱傳導(dǎo)－基本的傳遞方式A自由電子（金屬）B晶格振動(dòng)，離子和共價(jià)晶體（陶瓷）C分子傳導(dǎo)（高分子、小分子氣體、液體）熱流量q＝－

(dT/dX)兩平面穩(wěn)態(tài)熱流量（與時(shí)間無(wú)關(guān)）

q=

At(T1-T2)/d

式中A為平板面積,

為熱導(dǎo)率,t熱傳導(dǎo)的時(shí)間非穩(wěn)態(tài)：

=

/CP·

式中

為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2.s-1；CP為比熱容；

為密度3精選課件ppt2.熱導(dǎo)率(thermalconductivity)定義：?jiǎn)挝粶囟忍荻认?，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積上的熱量

=-q/(dT/dX)

J.s-1.m-1.K-1或W.m-1.K-1金屬

高自由電子無(wú)機(jī)非金屬：

中晶格熱振動(dòng)高分子

很小，0.1-0.4之間銀最高427合金40金剛石30玻璃

1

合金、孔隙結(jié)晶、溫度4精選課件ppt表4-2-1某些材料的熱導(dǎo)率和比熱容材料熱導(dǎo)率W/（m·k）比熱容J(kg·k)材料熱導(dǎo)率W/（m·k）比熱容J(kg·k)鋁247900硅150

銅398389氧化鋁30.1775金315130氧化鎂37.7940鐵80.4448尖晶石15.0790鎳90443鈉鈣玻璃1.7840銀428235聚乙烯0.382100鎢178142聚丙烯0.1218801025鋼51.9486聚苯乙烯0.131360316不銹鋼16.3502聚四氟乙烯0.251050黃銅120375酚醛樹(shù)脂（電木）0.151650

尼龍-660.2416705精選課件ppt4-28有一塊面積為0.25m2、厚度為10mm的鋼板熱導(dǎo)率為51.9W/(m*K)，兩表面的溫度分別為300℃和100℃，試計(jì)算該鋼板每小時(shí)損失的熱量？

Q=λA（T1-T2）/d=51.9*0.25*（300-100）/0.01=259.5KWQ=259.5*3600=934.2MJ6精選課件ppt3、比熱容（CP）或CVSpecificheat材料對(duì)熱量的吸收能力熱容（heatcapacity)，將一摩爾材料的溫度升高一度所需的能量（沒(méi)有相變或化學(xué)反應(yīng)）。單位為J/mol·K。體積恒定，所吸收的熱量等于內(nèi)能的增量

等容熱容內(nèi)能對(duì)溫度的曲線上的斜率恒壓，所吸收的熱量等于焓的增量：

等壓熱容：焓對(duì)溫度的曲線上的斜率固體多用CP，J·mol-1·K-1。Cp>Cv。絕對(duì)零度時(shí)CP=CV=0RT相近

7精選課件ppt固體熱容理論

原子的振動(dòng)---晶格的振動(dòng)

經(jīng)典理論諧振子

量子理論隨機(jī)振動(dòng)

德拜模型晶體中原子的相互作用，彈性波的振動(dòng)（聲波）

Cv＝3RfD(θD/T)θD:德拜溫度，材料參數(shù)（簡(jiǎn)單晶體）德拜比熱函數(shù)8精選課件ppt9精選課件ppt比熱（容）=熱容/原子量，J·Kg-1·K-1定義：1Kg質(zhì)量的固體（或液體）升高（或降低）1

C時(shí)，所增加（或減少）的（振動(dòng)能量）熱量比熱容與材料的組成和結(jié)構(gòu)

金屬

CP<1KJ·Kg-1·K-1，熱容小，容易加熱、容易冷卻自由電子的貢獻(xiàn)很小。無(wú)機(jī)非金屬，同上，更符合德拜模型高分子

CP1.0~3.0

KJ·Kg-1·K-1，熱容大不同的運(yùn)動(dòng)單元

原子、基團(tuán)、鏈段分子鏈柔順性溫度的升高是由于分子間內(nèi)摩擦引起的，柔性鏈，運(yùn)動(dòng)單元小內(nèi)摩擦小,T上升慢，熱容量大，

高彈態(tài)＞玻璃態(tài)10精選課件ppt比熱容與溫度T＞＞θD,Cv≈3RT＜＜θD,Cv＝12Rπ4(T/θD)3/511精選課件ppt

比熱容與相變

DSC——示差掃描量熱儀DTA——差熱分析TgCp發(fā)生突變一級(jí)相變二級(jí)相變12精選課件ppt4-2-2熱膨脹性（ThermalExpension)1、熱膨脹材料的體積或長(zhǎng)度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象原因：原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)

晶體：原子在晶格內(nèi)平衡位置附近振動(dòng)，

T，振幅，原子平均間距

非晶體：原子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)變。高分子沿主鏈振動(dòng)；鏈節(jié)、鏈段，轉(zhuǎn)動(dòng)；自由體積—運(yùn)動(dòng)的空間13精選課件ppt14精選課件ppt2、熱膨脹類型(coefficientofthermalexpansion)CTE線膨脹

l=(1/l)dl/dT體膨脹

V=(1/V)dV/dT影響因素①溫度T升高，

增大②結(jié)構(gòu)鍵能大，

減小無(wú)機(jī)材料

小，10-5~10-6

金屬中，1~3×10-5

高分子大，2.5~25×10-5取向交聯(lián)度

減小晶格類型、結(jié)晶度柔順性剛性，

柔性，

15精選課件ppt表4-2-2各種材料的線膨脹系數(shù)材料名稱線膨脹系數(shù)×105,K-1材料名稱線膨脹系數(shù)×105,K-1玻璃0.1~1.0聚苯乙烯7陶瓷0.45聚甲基丙烯酸甲酯8~9石英玻璃0.1尼龍10硬質(zhì)玻璃0.3聚乙烯17光學(xué)玻璃0.8聚氯乙烯19鋼1.2纖維素的酯及醚類6~17黃銅1.9石墨0.79鋁2.4金剛石0.12環(huán)氧樹(shù)脂6~7氯化橡膠12~13酚醛樹(shù)脂（填充木粉）3氯丁橡膠20.0脲醛樹(shù)脂2.5~3丁腈橡膠19.6聚酯樹(shù)脂8~10丁基橡膠19.4木材（順纖維方向）0.2~0.6丁苯橡膠21.6木材（橫纖維方向）3.25~6.2聚乙烯醇7~12碳化天然橡膠8聚乙烯醇縮醛8~2216精選課件ppt4-2-3耐熱性（HeatResistance)1、概念：

耐熱性——指在受負(fù)荷下，材料失去其物理機(jī)械性能而發(fā)生永久變形的溫度。材料的使用上限溫度

高分子材料常溫及中溫條件下使用，<500

C，一般170

C。

鋼——550

C；合金——900

C；石墨——3000

C。

陶瓷——2000

C。2、耐熱性表征（高分子材料）

物理狀態(tài)Tg無(wú)定形Tm結(jié)晶工業(yè)表征方法及指標(biāo)σ、ε

馬丁耐熱溫度熱變形溫度維卡軟化溫度17精選課件ppt18精選課件ppt屈服脆韌轉(zhuǎn)變19精選課件ppt3、影響因素Ⅰ結(jié)構(gòu)因素：剛性鏈結(jié)晶交聯(lián)Ⅱ分子量Ⅲ增塑劑Ⅳ填料，纖維增強(qiáng)20精選課件ppt4-2-4熱穩(wěn)定性(thermalStability)1、表征方法

起始分解溫度（Td）：聚合物化學(xué)結(jié)合（結(jié)構(gòu)）開(kāi)始發(fā)生變化的溫度常采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）半分解溫度（2）熱失重曲線（TG）比較曲線給定溫度下的失重給定失重的溫度起始分解溫度（外推）（3）DSC和DTA：熱焓的變化不可逆21精選課件ppt2、熱穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

k=Ae(-

E/RT)3、熱分解機(jī)理(1)只受熱（惰性氣體，或真空中）大分子鏈成自由基。開(kāi)鏈——單體；PMMA隨機(jī)斷鏈。(2)熱氧分解氧（環(huán)境）參加分解快22精選課件ppt23精選課件ppt4-2-5燃燒特性Flammability有機(jī)材料、有機(jī)聚合物（含C、H元素）

1、高分子材料引燃和燃燒ignitionandburning燃燒：較高溫度下與氧劇烈反應(yīng)，并發(fā)出熱和光。引燃過(guò)程：外部熱原分解固體材料的表面層；產(chǎn)生可燃?xì)饣铮c空氣混合——致燃燒燃燒過(guò)程：材料不斷熱分解，始終在表面空氣中燃燒，無(wú)殘?jiān)?。條件：溫度、氧氣（空氣）放熱反應(yīng)24精選課件ppt2、材料的燃燒特性燃燒速度燃燒反應(yīng)放熱值3、臨界氧指數(shù)LimitingOxygenIndex(LOI)能夠維持穩(wěn)定燃燒的最小氧濃度>0.27的聚合物是有自熄性self-extinguish(1)

僅由C、H、O元素組成，臨界氧指數(shù)為0.16~0.18(2)

含鹵族元素（F、Cl、Br、I），臨界氧指數(shù)大于0.40(3)

含磷、氮等元素，臨界氧指數(shù)高

25精選課件ppt表4-16聚合物的燃燒速度，mm/min聚合物燃燒速度聚合物燃燒速度聚乙烯7.5~30.5硝酸纖維素迅速燃燒聚丙烯17.3~40.6醋酸纖維素12.7~30.3聚丁烯27.9氯化聚乙烯自熄聚苯乙烯12.7~63.5PVC自熄苯乙烯-丙烯腈共聚物10.2~40.6聚偏二氯乙烯自熄ABS25.4~50.2尼龍自熄PMMA15.0~40.6脲醛樹(shù)脂自熄PC自熄聚四氟乙烯不