无机非金属材料的性能教学教材

固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的
热传导机制相应的分为三种
(一) 电子热导 (二) 声子热导 (三) 光子热导
热传导
• 无机非金属材料，自由电子很少。主要通过 质点振动形成格波，格波在材料中传播，来 导热。
热传导
声子：质点热振动能量是量子化的，
En
(n
1)hv 2
声频波的间隔能级hv, hv是这种量子化弹性波的最
热容
实际材料中：
Cv
高温时： CV为常量3R(杜 隆—珀替定律)。
低温时：CV 的实验值并 不是一个恒量. 与T3成比例，
渐趋于零。
0
常数
C T3
T/K
热容
你知道生活中材料热容的应用吗？
铝挤塞铜制作工艺，将铜材导热速度快和铝材 单位质量热容更高的优点结合。
热膨胀
热膨胀： 物体体积或长度随温度升高而增大的现象
电磁波
光子
晶格原子热振 动波
声子
热容
热容：物体温度升高1K所需要增加的热量。 Q
CT ( T )T （J/K）
固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现
热容Baidu Nhomakorabea
恒压热容：加热条件在恒压下进行
Cp( Q T)pm 1( H T)pm 1
恒容热容：加热条件在恒容下进行
Cv( Q T)vm 1( U T)vm 1
热传导
从晶格格波的声子理论可知： 热传导过程是声子从高浓度区域到低浓度区的扩散
过程。如果声子不发生碰撞，声子的扩散速度就是 热量的传播速度。 但事实上，声子在扩散过程中肯定要发生碰撞。从而
产生热阻。
热阻： 声子扩散过程中的各种散射。
热传导
多孔耐火砖：热膨胀系数小； 热导率低。
第二章 无机非金属材料的 性能
热学性能
材料的热学性能主要包括材料的热容、热膨胀、 热传导、热电势和热稳定性等。
同学们知道一些应用 热学性能的实例吗？
热学性能
被子
声子
什么是声子？
声子
非金属材料 自由电子很少 离子晶体（离子构成） 共价晶体（原子构成） 这些质点可以在平衡位置 上振动，形成格波，格波 可以在整个材料中传播。
声子
弹性变形
蠕变：固体材料在恒定荷载下，变形随时间延续而缓 慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平 衡到平衡的过程。当外力除去后，蠕变变形不能立即 消失。
例如：沥青、水泥混凝土、玻璃和各种金属等在持续 外力作用下，除初始弹性变形外，都会出现不同程度 的随时间延续而发展的缓慢变形（蠕变）。
弹性变形
dx
λ——导热系数
热流q的物理意义：指单位温度梯度下，单位时间内通过 单位垂直面积的热量，单位为J/(m2·S·k)或W/(m·K)。
当存在温度差是，高温端，质点动能增加，和邻 近温度低的质点碰撞程度增加，热量开始传递给 温度低的质点，依次结果，热量就从高温端传到 低温端。
高温
dT dx
低温
气体材料导热——分子间直接碰撞（导热性差）， 金属材料导热——主要是自由电子间碰撞， 无机非金属材料导热——晶格振动（格波）， 热辐射——光子（电磁波）
为什么从知道钠蒸气放电 到高压钠灯的使用经过了二
十几个年头呢?
钠蒸气放电会产生超过1000℃的高温；钠蒸气有 强烈的腐蚀作用，所以普通玻璃灯管承受不了钠蒸气 放电产生的高温，此时普通玻璃要软化。但氧化铝材 料陶瓷能承受高温，又耐腐蚀，透明氧化铝陶瓷的熔 点高达2050℃，能在1600℃的环境里不受钠蒸气腐 蚀，因此用氧化铝陶瓷。
小单位，称为量子或声子。
声子能量: hv值大小 声子数：忽略零点能1/2hv，
n En hv
高温
T高: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数
声子浓度梯度（扩散）
低温
T1低: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数
温度平衡时：同样多的振动模式 同样多的振动振幅 同样多的声子数
xx
E
yy
弹性变形
• 小变形近似，简谐近似； • 原子间共振频率与原子折合质量以及弹
性常数间的关系为
1 ks 2 m
弹性变形
• 理想弹性：在振动条件下，应力和应变之 间的关系完全遵从胡克定律，应力与应变 随时保持同相位。
• 滞弹性：是指在弹性范围内出现的非弹性 现象。应变不仅与应力有关，而且与时间 有关。
第二节 力学性能
孩子吃饭用瓷碗吗？ 不用！ 用不锈钢碗或塑料碗！ 瓷本身易碎！
硬度大、耐磨损
透明、耐高压 氧化铝陶瓷制品
高 压 钠 灯
熔点高
氧化铝陶瓷 球磨罐
星式氧化铝陶瓷球磨机
材料的力学性能
弹性变形
• 胡克定律：材料应力-应变关系，在弹
性限度内，成正比关系，其比例系数E
就是弹性模量。
xx Exx
热膨胀
r0是能量的最低处， T↑,质点振动幅度↑ 质点振动能量↑ 质点离开平衡位置r0 出现两个偏离间距， 最终离开平衡位置的平均 距离增加。 因此： T↑， 质点距离↑ 体积↑
热膨胀
如何省力地开 启玻璃罐头？
热传导
砂锅
热传导
△t时间内通过△S截面上的热量为△Q
傅里叶定律： q Q dT
St
• 弹性后效：当外力除去后，应变只消失一部 分，另一部分随时间慢慢消失，其实不能立 即消失的应变是蠕变应变，不能立即消失。
弹性变形
(t)
0
MR
0
0
MR
l
l l0T
αl——线膨胀系数
材料：l 1 05~1 06/K
热膨胀
aV
V V0 T
αV——体膨胀系数
各向异性的材料：各晶轴方向的线膨胀系数不同，
假如分别为αa 、αb 、αc， 则有
Vabc
各项同性的材料：V 3l
热膨胀
热膨胀
原子势能—原子间距关系
由于原子间作用力是非简谐的， 使得原子势能呈非对称。
无机非金属材料的性能
2.新型无机非金属材料的特性
（1）耐高温、强度高。
氧化铝陶瓷（人造刚玉） ①高熔点；②高硬度；③可制成透明 主要特性 陶瓷；④无毒、不溶于水，强度高；
⑤对人体有较好的适应性 高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠 主要用途 灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心 瓣膜、人造关节等
高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光 下看物清晰，不刺眼。平均寿命长达1万小时～2万小时，比高压汞灯 寿命长2倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命最长的灯。早在30 年代初，人们就已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源， 但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经不断发展改进，才得以 实际应用。