材料科学基础(热工设备)
《材料科学基础》课程教学大纲
《材料科学基础》课程教学大纲课程编号：08061211课程名称：材料科学基础英文名称：Fundamental of Materials Science课程类型：学科基础课课程要求：必修学时／学分：88／5.5 （讲课学时：80 实验学时：8 上机学时：0）适用专业：材料成型与控制工程；焊接技术及工程；金属材料工程；无机非金属材料工程一、课程性质与任务《材料科学基础》是材料科学与工程学院各专业学生学习和掌握材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律，特别是固体材料的结构、晶体缺陷、平衡相图、凝固和原子扩散过程诸方面的基本概念和基础理论，以及有关的加工工艺对材料的组织结构和性能的影响规律的学科基础课，也是学生将来学习专业课程的理论基础。
本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本规律等方面的讲解；在培养实践能力方面着重试样的选取与制备及显微组织的观察等基本方法的训练，使学生熟悉材料科学的相关基础知识，为后续专业课程的学习以及将来解决材料的生产、加工等问题和探索新材料、新技术、新工艺打下比较系统而坚实的理论基础。
二、 课程与其他课程的联系选修课：大学物理，材料物理化学本课程是在学习了大学物理、材料物理化学等课程后方能学习本课程；该课程也是学习后续专业课程的理论基础。
通过该课程的学习，使学生掌握材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律，从而为进一步深入学习材料科学与工程学院各专业的专业课程奠定基础，并且理论结合实践，使其有机的结合起来，形成一个完整的系统的专业学科基础理论体系。
三、课程教学目标1．学习并掌握常见的晶体结构与材料的相结构、晶体缺陷及固态材料中的原子扩散、材料的凝固、二元相图及塑性变形等基本知识，使学生在材料方面具有扎实的基础理论知识，了解并掌握金属材料产品由不同工艺形成的组织特征，具有开发和选用新材料的能力和工程实际应用的能力；（支撑毕业能力要求1.1、1.2）2．培养学生的工程实践学习能力，使学生掌握观察材料显微组织的实验方法，获得实验技能的基本训练，具有查阅有关技术资料的能力；（支撑能力毕业要求2.1、2.3）3．培养学生对金属材料的各类物理现象、特性进行研究并通过实验验证的能力。
材料科学基础(第2版)
教学资源
教学资源
《材料科学基础（第2版）》开通了有数字资源的下载，其中包含《材料科学基础（第2版）》（各章知识点） （教学大纲）、《材料科学基础（第2版）》（测验题及其参考答案）、《材料科学基础（第2版）》（多媒体电 子课件）（PPT课件） 。
作者简介
作者简介
石德珂Байду номын сангаас西安交通大学材料系副教授 。
全书共10章，包含材料结构概论、晶体结构、高分子材料结构、晶体缺陷、相结构与相图等材料科学与工程 专业的技术知识，还阐述材料的成分、组织结构与性能间关系的基本原理。
成书过程
成书过程
《材料科学基础（第1版）》是遵照1996年12月全国高校材料工程类专业教学指导委员会的决定编写的。当 时考虑到专业改造与发展，将该书定为原“金属材料及热处理”和原“金属热加工”两类专业共用的技术基础课 教材，教学时数为100至120，几年的教学实践表明，多数院校的热加工专业已将该课程时数减少了许多，以致无 法共用。故这次按“材料科学与工程”专业的要求修订《材料科学基础（第2版）》 。
2019年12月2日，《材料科学基础（第2版）》由石德珂主编，机械工业出版社出版 。
内容简介
内容简介
《材料科学基础（第2版）》除导论外共十章，内容包括：材料结构概论、晶体结构、高分子材料结构、晶 体缺陷、相结构与相图、材料的凝固与气相沉积、扩散与固态相变、变形与断裂、材料的电子结构与物理性能及 材料概论 。
《材料科学基础》课程教学大纲
《材料科学基础》课程教学大纲一、《材料科学基础》课程说明（一）课程代码：08131015（二）课程英文名称：Fun dame ntals of Materials Scie nee（三）开课对象：材料物理专业（四）课程性质：《材料科学基础》是材料科学与工程系各专业本科生的一门重要的专业基础课，以介绍工程材料的基础理论为目的，既具有较强的理论性，又与生产实际有紧密的联系。
研究材料的成份、组织结构、性能及三者间的关系。
（五）教学目的：掌握有关工程材料的基本理论和知识，训练用所学理论分析实际问题的方法和思路。
初步掌握材料的科学实验方法和有关的实验技术；掌握定量、半定量地解决工程材料问题的方法。
（六）教学内容：本课程主要包括工程材料中的原子排列、固体中的相结构、凝固、相图、固体中的扩散、塑性变形、回复与再结晶、固态相变、复合效应与界面，以上内容都是材料科学的基础理论，它对于发展新材料、培养学生创新能力具有深远的意义。
（七）学时数、学分数及学时数具体分配学时数：72学时分数：4 学分学时数具体分配：（八）教学方式：以讲授为主的教学方式。
（九）考核方式和成绩记载说明：考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。
综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40%，期末成绩占60%。
二、讲授大纲与各章的基本要求第一章工程材料中的原子排列教学要点：通过本章的学习使学生掌握固体中原子的排列方式和分布规律，包括固体中的原子是如何相互作用并结合起来的，晶体的特征及其描述方法，晶体结构的特点，各种晶体间的差异，以及晶体结构中缺陷的类型及性质。
这些都是本章重点介绍的内容。
这些知识不仅是学习材料学科课程的基础，也是学习其他专业课程比不可少的基础。
1. 掌握晶面、晶向的表示方法2 •熟悉三种典型的晶体结构3 •晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质4•位错的应力场和应变能；位错的运动与交互作用教学时数：13 学时教学内容：第一节原子键合一、固体中的原子的结合键（金属键、共价键、离子键、分子键、氢键）二、工程材料的分类第二节原子的规则排列一、晶体学基础（晶体、结构、空间点阵、布拉菲点阵晶面指数、晶向指数、晶面间距）二、晶体结构及其几何特征（金属中常见晶体结构、陶瓷的晶体结构）第三节原子的不规则排列一、点缺陷（平衡浓度、形成、结构和能量）二、线缺陷（位错的基本类型、柏氏矢量、位错密度、作用在位错上的力及位错的运动、位错的应力场与应变能位错之间的交互作用、位错的增值、塞积与交割、实际晶体中的位错）三、面缺陷（晶界、亚晶界、挛晶界和相界）考核要求：1、原子键合1.1 固体中的原子的结合键（识记）1.2 工程材料的分类（领会）2、原子的规则排列2.1 晶体学基础（领会）2.2 晶体结构及其几何特征（识记）3、原子的不规则排列3.1点缺陷（应用）3.2线缺陷（应用）3.3面缺陷（领会）第二章固体中的相结构教学要点：通过本章的学习使学生掌握固熔体、化合物、陶瓷晶体相、玻璃相及分子相等五类。
《材料科学基础》课件
THANKS
感谢观看
稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
材料科学基础(热工设备)
Semi-transparent medium
20材19/1料2/2工1 程基础及设备媒体课件
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4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律
1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积 上的总辐射能
2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性， 因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也 根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸 收
4.3 实际固体和液体的辐射特性
4.4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律
4.5 角系数的定义、性质及计算
4.6 两固体表面间的辐射换热
4.7 辐射换热的强化与削弱
4.8 气体辐射
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3
4.1 热辐射的基本概念
１.定义： 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形
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22
4.2 黑体辐射的基本定律
（3）Wien位移定律(第二个定律)
反映出黑体温度越高其单色辐 射力最大值所对应的波长越短 的黑体辐射特征，也就是黑体 温度越高能量分布就越向波长 短方向集中的特征。
mT 2.8976 103 m K
20材19/1料2/2工1 程基础及设备媒体课件
吸收的某一特定波长的 能量
(,T1) 投入的某一特定波长的 能量
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4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律
金属导电体的光谱吸收比同波长的关系
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4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律
非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系
材料科学基础(第1章)
三、教材及参考书
教材： 崔忠圻.金属学与热处理（第2版）.机械工业出版社
参考书及实验指导书： （1）石得珂.材料科学基础.机械工业出版社 （2）李超.金属学原理.哈尔滨工业大学出版社 （3）张廷楷.金属学及热处理实验指导书.重庆大学出
版社 （4）林昭淑.金属学及热处理实验.湖南大学出版社
3. 不透明并呈现特有的量，因而具有不透明性。而
吸收了能量被激发的电子随后会辐射出具有一定波长的光能，从而具
有一定光泽。
4. 良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而
发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。
第一节 原子结构
一、 物质的组成 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集
而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 原 子结构直接影响原子间的结合方式。 二、 原子的结构
近代科学实验证明：原子是由质子和中子组 成的原子核，以及核外的电子所构成的。原子的 体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核 直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质 量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子 的质量大致为1.67x10-24g，而电子的质量约为 9.11x10-28g，仅为质子的1/1836。
1.4 范德华力 属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱
和性。比化学键的键能少1～2个数量级。不同 的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德 华力不同是一个重要因素。
1.5 氢键 是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子
同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子 （ｏ，ｆ，ｎ等）相结合而产生的具有比一般 次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键 在高分子材料中特别重要。
材料科学基础复习资料
材料科学基础复习资料材料科学基础是各个工程领域的基本学科，是各个领域的基础。
材料科学基础涵盖了材料的结构、物理与化学性质、制备工艺等方面内容，是材料科学领域学习过程中必须掌握的知识。
因此，为帮助有需要的人顺利复习材料科学基础知识，本文整理了一些相关的复习资料。
一、材料基础知识1. 基本的物理性质：包括化学成分、密度、电导率、热导率等基本参数，通常在每种材料的材料数据表中都可查到。
2. 结构相关：晶体结构：晶体结构指材料中原子、离子、分子排布的类型和规律，常用的晶体结构有：立方晶系、四方晶系、六方晶系、等轴晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系等。
非晶态：非晶态作为一种新兴的材料类型，其分子呈无序排列，在某些情况下可能拥有更好的性能。
3. 材料特性：热膨胀系数：在温度变化时，材料线膨胀的速度大小，通常用公式ΔL/L0 = αΔT 表示，其中α为热膨胀系数。
韧性：材料在受到剪切力或拉伸力时的弹性变形程度，是一种考量材料性能的指标，通常可以通过材料变形曲线进行查看。
4. 金属与合金相关：金属材料通常具有良好的导电、导热等特性，同时在高温、高压等环境下具有较强的稳定性。
合金则通常是由多个金属或者非金属元素组成的混合物，其性质与材料组分、配比等有关。
二、材料治理、工艺及应用1. 材料的处理：常用材料的处理包括固化、焊接、框架处理、表面处理以及高压工艺等，其中固化的过程包括了煅烧、烧结等过程。
2. 材料配方：通常材料的配方根据材料的成分、目的等进行确定，其中分子键长、键能以及分子排列等指标都可能用来确定最终配方。
3. 材料的加工工序：通常材料加工工序包括切削、钣金、打压成形等过程，每个工序都会影响材料的性质和特性。
三、材料的主要分类1. 材料的物理分类：主要涉及到材料的形态、密度以及各种物理性质，通常有固体、液体、气体以及等离子体等分类方式。
2. 材料的化学分类：不同的元素应用于不同的方案分类，这种分类通常依据材料的化学成分。
837-材料科学基础
千里之行，始于足下。
837-《材料科学基础》考试大纲第一部分考试说明一、考试性质《材料科学基础》是材料学科的专业基础课，着重讲述材料的微观组织与性能之间的关系，强调晶体材料中的个性基础问题，对于理解现有材料和开辟新材料都具有重要的指导意义。
该课程被指定为材料学、材料加工工程及材料工程（工程硕士）专业硕士研究生入学统一考试的科目之一。
《材料科学基础》考试要力求科学、平等、确切、规范地测评考生的基本素质和综合能力，选拔具有发展潜力的优秀人才入学攻读硕士学位。
二、考试的学科范围材料的结构与缺陷，材料的凝结与相图，塑变与再结晶及固态相变等基础知识模块。
三、评价目标考试的目标是考查考生对《材料科学基础》基本理论的控制情况以及应用基本理论分析材料问题的能力。
四、考试形式与试卷结构试卷满分150分，考试时光180分钟，闭卷笔试。
包括名词解释、填空、挑选、计算和分析论述等不同形式的题目。
五、参考书目1、赵品主编。
材料科学基础教程，哈尔滨工业大学出版社，2009年代第3版。
2、潘金生主编。
《材料科学基础》，清华大学出版社出版，1998年。
第二部分考查要点朽木易折，金石可镂。
一、材料的结构1、材料的结合方式化学键和物理键工程材料的键性2、晶体学基础晶体与非晶体空间点阵晶向指数与晶面指数晶体的极射赤面投影3、材料的晶体结构典型金属的晶体结构共价晶体的晶体结构离子晶体的晶体结构合金相结构二、晶体缺陷1、点缺陷点缺陷的类型及形成点缺陷的运动及平衡浓度点缺陷对性能的影响2、线缺陷位错的基本概念位错的运动位错的弹性性质实际晶体中的位错3、面缺陷外表面晶界与亚晶界三纯金属的凝结1、纯金属的结晶过程液态金属的结构千里之行，始于足下。
纯金属的结晶过程2、结晶的热力学条件结晶的过冷现象凝结的热力学条件3、形核逻辑匀称形核非匀称形核4、长大逻辑液一固界面的微观结构晶核的长大机制纯金属的生长形态四、相平衡与相图1、相图的基本知识相图的表示主意相图的建立相平衡与相律二元相图的一些几何逻辑2、二元相图的基本类型匀晶相图共晶相图包晶相图3、二元相图的分析和使用其他类型的二元相图复杂二元相图的分析主意4、铁碳相图和铁碳合金铁碳相图碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响合金铸件的组织与缺陷五、固体材料的变形与断裂朽木易折，金石可镂。
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d
df r2
d
sin d d
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
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4.2 黑体辐射的基本定律
（４）定向辐射强度Ｉ ：
定义：单位时间内，物体在垂直发射方向 单位面积上，在单位立体角
内发射的一切波长的能量。
20材20/1料.2 黑体辐射的基本定律
灰体的辐射系数
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
20
4.2 黑体辐射的基本定律
3.黑体辐射的基本定律及相关性质
(2)Planck定律(第一个定律)： 黑体单色辐射力
式中，λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ；
c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 ｍK；
2.热辐射能量的表示方法
（１）辐射力E (W/m2) ：
单位时间内，物体单位表面积向半球 空间发射的所有波长的能量总和。
E dQ dA
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4.2 黑体辐射的基本定律
（２）单色辐射力Eλ (W/m3) ：
单位时间内，单位波长范围内(包含某一 给定波长)，物体单位表面积向半球空间 发射的能量。
4.2 黑体辐射的基本定律
3.黑体辐射的基本定律及相关性质
(1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼Boltzmann定
律
Cb为黑体的辐射系数，其数值为5.669 W/m2.K4
黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比—
—四次方定律
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4.2 黑体辐射的基本定律
4.2 黑体辐射的基本定律
4.3 实际固体和液体的辐射特性
4.4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律
4.5 角系数的定义、性质及计算
4.6 两固体表面间的辐射换热
4.7 辐射换热的强化与削弱
4.8 气体辐射
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
3
4.1 热辐射的基本概念
１.定义： 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形
E dQ d 2Q
dA ddA
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
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4.2 黑体辐射的基本定律
E、Eλ关系:
E
0
E d
黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐
射力为Eb，黑体的单色辐射力为Ebλ
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
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4.2 黑体辐射的基本定律
（３）方向辐射力Eφ(W/m2Sr) ：
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
漫反射
9
4.1 热辐射的基本概念
4.透热体、白体与黑体 黑体：能全部吸收辐射能的物体 α=1； 白体：能全部反射辐射能的物体 ρ=1； 透热体：能全部透过辐射能的物体 τ=1； 灰体：能以相同的吸收率α，吸收全部波长
辐射能的物体。 工业上，多数物体都可近似视为灰体
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
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4.2 黑体辐射的基本定律
1.黑体概念
黑体：是指能吸收投入到
其面上的所有热辐射能的
物体，是一种科学假想的
物体，现实生活中是不存
在的。但却可以人工制造 出近似的人工黑体。
黑体模型
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4.2 黑体辐射的基本定律
transmissivity
7
4.1 热辐射的基本概念
1
对于大多数的固体和液体： 0, 1
对于不含颗粒的气体： 0, 1
对于黑体：
1
镜体或白体：
1
透明体：
1
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4.1 热辐射的基本概念
反射又分镜反射和漫反射两种
镜反射
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4.1 热辐射的基本概念
3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透
Q Q Qr Qt
反射率
reflectivity
Q Qr Qt 1 Q QQ
1
吸收率
absorptivity
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透过率
式向外发射能量懂的过程。 ２.特点 a 任何物体只要温度高于0 K，就会不停
地向周围空间发出热辐射；
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4.1 热辐射的基本概念
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
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4.1 热辐射的基本概念
２.特点 b不需要介质，可以在真空中传播； c 伴随能量形式的转变 d 具有强烈的方向性 e 辐射能与温度和波长均有关；
第三章 传热学
第一节 概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热辐射 第五节 传热过程与换热器
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1
第三章 传热学
第四节 热辐射
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2
第三章 传热学
—第四节 热辐射
4.1 热辐射的基本概念
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4.2 黑体辐射的基本定律
Planck 定律的图示
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方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在 半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单 位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立 体角内辐射的所有波长的辐射能量。
E
d 2Q
ddA
微元立体角
20材20/1料0/1工7 程基础及设备媒体课件
d
15
4.2 黑体辐射的基本定律
立体角定义： 球面面积除以球半径的平方称为立体角， 单位：sr(球面度)。
3.黑体辐射的基本定律及相关性质
(1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼Boltzmann定
律
Eb T 4
Eb——绝对黑体辐射力，W/m2；T ——
黑体的热力学温度 K，σ ——玻耳兹曼常
数（黑体辐射常数），其值为5.67×10-8
W/m2.k4。
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3.黑体辐射的基本定律 及相关性质
E
Eb
(1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼 E Eb
Boltzmann定律
黑度ε：同一温度下，实际
Cb
T
4
100
物体与黑体的辐射能力之 比。只与物体本身的情况 有关，与外界的情况无关，
C
T 4 100
实验测定。
C 5.669 W/(m2 K4 )