材料的热性能
材料的热学性能
材料的热学性能
材料的热学性能是指材料在热学方面的性质和特性，包括热传导、热膨胀、比
热容等。
这些性能对于材料的应用和工程设计具有重要意义。
下面将分别介绍材料的热传导、热膨胀和比热容这三个方面的性能。
首先，热传导是材料的一个重要热学性能。
热传导是指材料内部热量传递的能力。
热传导系数是衡量材料热传导性能的一个重要参数。
通常情况下，金属材料的热传导性能较好，而绝缘材料的热传导性能较差。
在工程设计中，需要根据材料的热传导性能选择合适的材料，以确保热量能够有效传递和分布。
其次，热膨胀是材料的另一个重要热学性能。
热膨胀系数是衡量材料热膨胀性
能的参数。
当材料受热时，由于分子热运动增强，材料会膨胀。
不同材料的热膨胀性能各不相同，这对于工程设计和材料选择都具有重要影响。
例如，在建筑工程中，需要考虑材料的热膨胀性能，以避免因温度变化引起的结构变形和损坏。
最后，比热容是材料的又一个重要热学性能。
比热容是指单位质量材料升高1
摄氏度所需吸收或放出的热量。
不同材料的比热容各不相同，这也会对材料的热学性能产生影响。
在工程设计中，需要考虑材料的比热容，以确保在温度变化时能够有效地储存或释放热量。
综上所述，材料的热学性能对于材料的应用和工程设计具有重要意义。
热传导、热膨胀和比热容是材料的重要热学性能，它们直接影响着材料在温度变化时的性能表现。
因此，在工程设计和材料选择中，需要充分考虑材料的热学性能，以确保材料能够满足实际应用的需求。
高分子材料的热性能分析
高分子材料的热性能分析导语：高分子材料在现代工业中的应用越来越广泛，因其具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点而备受青睐。
然而，随着科技的进步，对高分子材料的性能要求也越来越高，其中热性能是一个重要的指标。
本文将介绍高分子材料的热性能分析方法，以及在实际应用中的价值和挑战。
一、热性能的重要性高分子材料的热性能指的是材料在高温环境下的性能表现，包括热稳定性、导热性、热膨胀性等。
热性能的优劣直接影响着材料在高温条件下的使用寿命和稳定性。
例如，在航空航天领域，高分子材料需要能够承受极端的高温和低温环境，具备良好的热稳定性和耐热性。
而在电子产品中的高分子材料，则需要具有良好的导热性能和热膨胀性，以确保电子元件的稳定运行。
二、热性能分析方法1. 热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）热重分析是一种常用的热性能分析方法，通过测量材料在升温条件下的质量变化情况，可以得到材料的热分解温度、热稳定性等信息。
在热重分析中，样品被加热至一定温度，通过测量样品质量的变化，可以得到样品的质量损失曲线。
通过分析质量损失的特点，可以确定材料的热稳定性和热分解温度。
2. 差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）差示扫描量热法是一种常用的热性能分析方法，通过测量材料在加热或冷却过程中吸热或放热的情况，可以得到材料的熔融温度、玻璃化转变温度等信息。
在差示扫描量热法中，将待测材料和参比材料分别放置在两个样品腔中，然后通过控制升温或降温速率，测量两个样品腔的温差。
通过分析温差曲线的特点，可以确定材料的熔融温度和玻璃化转变温度。
三、热性能的实际应用和挑战1. 实际应用高分子材料的热性能分析在许多领域中具有重要的实际应用。
例如，在航空航天领域，通过对高分子复合材料的热稳定性分析，可以评估其在高温环境下的性能表现，从而指导材料的选用和设计。
在电子产品的研发过程中，热性能分析可以帮助优化材料的导热性能，提高电子元件的散热能力。
材料学中的热性能表征
材料学中的热性能表征热性能是材料学中一个重要的研究方向，它对于材料的性能和应用具有重要的指导意义。
热性能表征是评价材料热学性能的一种方法，通过对材料的热传导、热膨胀、热稳定性等方面的研究，可以深入了解材料在高温、低温等极端环境下的表现和应用潜力。
首先，热传导是热性能表征中的一个重要指标。
热传导是材料传递热量的能力，它与材料的热导率密切相关。
热导率是材料导热性能的度量，它描述了材料在温度梯度下传导热量的能力。
热导率的测量可以通过热导率仪等设备进行，通过实验得到材料的热导率数值。
热传导的研究对于材料的导热性能、热障涂层等方面的应用具有重要的意义。
其次，热膨胀是热性能表征中的另一个重要指标。
热膨胀是材料在温度变化下的尺寸变化，它与材料的热膨胀系数密切相关。
热膨胀系数是材料热膨胀性能的度量，它描述了材料在温度变化下的尺寸变化程度。
热膨胀的研究对于材料的热稳定性、热应力等方面的应用具有重要的意义。
例如，在航空航天领域中，热膨胀的研究对于材料的热应力分析和设计具有重要的指导作用。
此外，热稳定性也是热性能表征中的关键指标之一。
热稳定性是材料在高温环境下的稳定性能，它与材料的热分解温度、热氧化稳定性等相关。
热稳定性的研究对于材料在高温环境下的应用具有重要的意义。
例如，在汽车发动机领域中，热稳定性的研究对于材料的耐高温性能和寿命预测具有重要的指导作用。
此外，热性能表征还可以包括材料的热导率随温度变化的研究、热膨胀系数随温度变化的研究等。
这些研究可以通过实验和模拟等方法进行，以获得材料在不同温度下的热性能特征。
这些研究对于材料的热稳定性、热应力分析等方面的应用具有重要的意义。
综上所述，热性能表征在材料学中具有重要的意义。
通过对材料的热传导、热膨胀、热稳定性等方面的研究，可以深入了解材料在高温、低温等极端环境下的表现和应用潜力。
热性能表征的研究对于材料的性能评价和应用开发具有重要的指导意义，对于推动材料学的发展和应用具有重要的推动作用。
第五章 材料的热性能PPT课件
➢材料热学性能的物理本质
材料的各种热性能的物理本质，均与晶格振动有关。 材料是由晶体及非晶体组成的。晶体点阵中的质点（原 子、离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产生 热量。这种振动称为晶格热振动。晶格热振动以格波的 形式在材料内传播。
晶格热振动是三维的。在三维方向上各质点热运动时动 能的总和，即为该材料的热量。
Cv＝
Q T
v
E T
v
(一) 热容量的经典理论
杜隆－珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/mol·K. 基本假设：①固体中的原子彼此孤立地作热振动；
②原子振动的能量是连续的； 经典统计理论的能量均分定理：
气体分子的热容理论用于固体。每一个简谐振动的平均能 量是kT ，若固体中有N个原子，则有3N个简谐振动，
主要内容热容热膨胀热传导热电性由于材料及其制品都是在一定的温度环境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这些热物理性能称为材料的热学性能
第五章 材料的热性能
热容 热膨胀 热传导 热电性
主要内容
由于材料及其制品都是在一定的温度环境 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，这些热物 理性能称为材料的热学性能。
频率从v到v+dv之间的振子数为g(v)dv,
德拜假设的振动谱区间内共有的振子数为：
max
g( )d 3N
(1)
0
N为单位体积内的原子数
又晶格振动可以看作弹性波在晶体内的传播，
频率分布函数为：
g
(
)
12 3
2
(2)
0
0由30 3
1
3 l
2 决定，
3
l 为纵波传播速度；
材料物理性能-材料的热性能
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DSC 示差扫描量热测定时记录的热谱图称之为DSC 曲线，其纵坐标是试样与参比物的功率差dH/dt， 也称作热流率，单位为毫瓦（mW），横坐标为温 度（T）或时间（t）。一般在DSC热谱图中，吸热
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DTA
第一节、材料的热容
热电偶的原理
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DSC
第一节、材料的热容
DSC与DTA测定原理的不同
•DSC是在控制温度变化情况下，以温度（或时间） 为横坐标，以样品与参比物间温差为零所需供给 的热量为纵坐标所得的扫描曲线。
热容与相变
第一节、材料的热容
热分析及应用
热分析是跟据物质的温度变化所引起的 性能变化（如热量、质量、尺寸、结构 等）来确定状态变化的方法。
第一节、材料的热容
热分析及应用
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DTA
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DTA 差热分析（DAT）是在程序控制下，测量待测 物质和参比物质之间温度差和温度关系的一种 技术。 当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或 吸收的热量使试样温度高于或低于参比物质的 温度，从而相应地在差热曲线上可得到放热峰 或吸热谷。
(endothermic)效应用凸起的峰值来表征 (热焓增加)，
放热(exothermic)效应用反向的峰值表征(热焓减少)。
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DSC
第一节、材料的热容
热分析及应用-----DSC
添加了稀土 Er 的合金在 540 ℃左右 出现新吸热 峰，可见有 稳定性高相 生成。
材料的热性能ThermalPerformanceofMaterials
金属 CP <1 KJ·Kg-1·K-1，热容小，容易加热、容易冷却 自由电子的贡献很小。
无机非金属， 同上，更符合德拜模型
高分子 CP 1.0 ~ 3.0 KJ·Kg-1·K-1， 热容大 不同的运动单元 原子、基团、链段 分子链柔顺性 温度的升高是由于分子间内 摩擦引起 的，柔性链，运动单元小内摩擦小, T上 升慢，热容量大， 高弹态＞玻璃态
热流量 q＝－ (d T / d X)
两平面稳态热流量（与时间无关）
q = A t(T1 - T2)/d 式中 A 为平板面积, 为热导率, t 热传导的时间 非稳态： =/CP· 式中为热扩散系数，m2.s-1；
CP为比热容； 为密度
2. 热导率(thermal conductivity)
定义：单位温度梯度下， 单位时间内通过单位垂直
P
固体热容理论 原子的振动--- 晶格的振动 经典理论 谐振子 量子理论 随机振动 德拜模型 晶体中原子的相互作用，弹性波的振动（声波） Cv＝3R fD(θD/T)
θD :德拜温度， 材料参数德拜（比简热单晶函体数）
比热（容） =热容/原子量， J·Kg-1·K-1
定义：1Kg质量的固体（或液体）升高（或降低）1C时，所增加（或减少）的 （振动能量）热量
Q=λA（T1-T2）/d=51.9*0.25*（300-100）/0.01 = 259.5 KW
Q=259.5*3600= 934.2 MJ
3、比热容（CP）或CV Specific heat 材料对热量的吸收能
力
热容（heat capacity)，将一摩尔材料的温度升高一度所需的能
量（没有相变或化学反应）。单位为 J/mol·K。
第一章 材料的热学性能
1.2.2 晶态固体热容的量子理论回顾
普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量 都是以 hv 为最小单位.
式中,
＝普朗克常数，
＝普朗克常数， = 园频率。
根据麦克斯威—波尔兹曼分配定律可推导出， 在温度为T时，一个振子的平均能量为:
将上式中多项式展开各取前几项，化简得：
在高温时，
所以
即每个振子单向振动的总能量与经典理论一致。 由于1mol固体中有N个原子，每个原子的热振动自 由度是3，所以1mol固体的振动可看做3N个振子的 合成运动，则1mol固体的平均能量为：
1.1 概述
热学性能的主要应用：
（1）微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等 使用的材料要求的热膨胀系数低； （2）电真空封装材料要求具有一定的热膨胀系； （3）热敏元件要求尽可能有高的热膨胀系数； （4）工业炉衬、建筑材料、以及航天飞行器重返大 气层的隔热材料要求具有优良的隔热性能； （5）晶体管散热器等要求优良的导热性能„„
微分热分析：测定试样温度随时间的变化率。
1.2.6 热分析应用实例 1、建立合金的相图 2、热弹性马氏体相变 的研究 3、有序－无序转变的 研究 4、钢中临界点分析
本节重点掌握内容：
1、热容的德拜模型及其局限性 2、热容随温度的变化规律 3、热分析方法在相变、有序-无序转变的应用
1.3 材料的热膨胀
4、热分析测定法
热分析法分为普通热分析、示差热分析和微分热分析
普通热分析：利用加热或冷却过程中热效应所产生的 温度变化和时间关系的一种分析技术。
示差热分析：利用示差热电偶（由两对热电偶互相串 联、极性反接而成，取得热电偶两热端的温差电势） 测定待测试样和标准温差而得到的。（示差热分析仪 DTA和示差扫描量热计DSC）
材料的热性能
材料的热性能
将热量从一侧表面传递到另一侧表面的能力，通常用导热系数来表示。
导热系数小，是热的绝缘体，如高分子材料；导热系数大，是热的良导体，如金属材料。
材料的耐耐热性：指材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力，通常用耐热度来表示。
晶态材料以熔点温度为指标（如金属材料）；非晶态材料以转化温度为指标（如玻璃等）（图1-1-6、图1-1-7）。
耐燃性：指材料对火焰和高温的抵抗性能根据材料耐燃能力可分为不燃材料（石材、金属等）和易燃材料（木料、塑料等）。
热胀性是材料由于温度的变化而产生的热胀冷缩的性能，通常用线膨胀系数来表示。
热膨胀以高分子材料为最大，金属材料次之，陶瓷材料最小。
耐火性：指材料长期抵抗高温而不熔化的性能，也称耐熔性。
耐火材料在高温下不变形，能承载。
按照耐火度可分为耐火材料、难熔材料和易熔材料。
材料物理性能第二章 材料的热学性能
原因：忽略振子之间的频率差别 忽略振子之间的相互作用 忽略低频的作用
2．德拜比热模型
德拜考虑了晶体中原子的相互作用，把晶体中原 子振动看成各向同性连续介质的弹性波，振动能量 量子化并假定原子振动频率不同，在0~ωD之间连续 分布。 式中，
＝德拜特征温度
＝德拜比热函数，
其中,
由上式可以得到如下的结论： • （1）当温度较高时，即， 即杜隆—珀替定律。 • （2）当温度很低时，即
度θD时，
低于θD时，CV~T3成正比，不同材
料θD也不同。例如，石墨θD=1973K，BeO 的θD =1173K，
Al2O3的θD=923K。
不同温度下某些陶瓷材料的热容
上图是几种材料的热容-温度曲线。这些材料的θD 约为熔点（热力学温度）的0.2-0.5倍。对于绝大多数 氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值 增加到1273K左右的近似于25J/K·mol的数值。温度进 一步增加，热容基本上没有什么变化。图中几条曲线 不仅形状相似，而且数值也很接近。
， ，计算得
这表明当T→0时，CV与T3成正
比并趋于0，这就是德拜T3定律，
它与实验结果十分吻合，温度越低，近似越好。说明低温时固体温度升高 吸收能量主要用于原子振动加剧。但T趋于ok时，热容和实验不符。原因： 忽略晶体的各向异性，忽略高频对热容的贡献。
四、材料的热容
1、无机材料的热容：根据德拜热容理论，在高于德拜温
P
－T
S T
V
V
＝T
S V
T
V T
P
＝T
P T
V
V T
P＝－T
材料的热学性能
（根据热容定义）：
Cv=3NAk=3R≈25 J.K-1.mol-1
R=8.314J/K.mol, k-玻尔兹曼常数.
此热容不取决于振子的β与m，也与温度无关。这就是杜隆-珀替
定律。
（2）晶态固体热容的量子理论与德拜(Debye)T3回顾
或离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，
称之晶体热振动。
温度体现了晶格热振动的剧烈程度，相同条件
下，晶格振动越剧烈，温度越高。
振动在晶体中的传播——波
２、格波
材料中所有质点的晶格振动以弹性波的形式在整
个材料内传播，这种存在于晶格中的波叫做格波。
格波是多频率振动的组合波。
3、声频支振动
如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼
爱因斯坦模型近似
该模型假定：每个振子都是独立的振子，原子之间彼
此无关，每个振子振动的角频率相同
h
Cv3Nkfe
kT
h
fe
kT
爱斯坦比热函数，选取适当的ω，可
使理论上的Cv与实验的吻合。
令
h
E
k
E
Cv 3Rfe
T
θe称为爱因斯坦温度
德拜理论在低温下也不完全符合事实。主要原因是
德拜模型把晶体看成是连续介质，这对于原子振动
频率较高部分不适用；而对于金属材料，在温度很
低时，自由电子对热容的贡献亦不可忽略。
注：以上有关热容的量子理论适用于原子晶体和一
部分较简单的离子晶体。
热容的本质：
反映晶体受热后激发出的晶格波与温度的关系；