第1-5讲 热传导与热稳定性
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1 . 一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于 一定规格的试样，加热到一定温度， 室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷， 室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷， 直至观察到试样发生龟裂， 直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加 热温度℃表示。（日用瓷） 。（日用瓷 热温度℃表示。（日用瓷） 2 . 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间， 后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间， 后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重 复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次 为止， 复这样的操作，直至试样失重 为止 表示。 数n表示。 表示
固体材料热传导的微观机理
固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。 固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。 热传导过程： 热传导过程：材料内部的能量传输过程 能量的载体：电子（德布罗意波） 能量的载体：电子（德布罗意波） 声子（格波）： ）：声频波的量子 声子（格波）：声频波的量子 光子（电磁波） 光子（电磁波） 金属：主要是电子导热为主， 金属：主要是电子导热为主， 合金/半导体：电子/声子导热， 合金/半导体：电子/声子导热， 绝缘体： 绝缘体：声子导热
表面热传递系数h 材料表面温度比周围环境 表面热传递系数h—材料表面温度比周围环境 温度高1K 1K时在单位面积单位时间带走的热量 温度高1K时在单位面积单位时间带走的热量。
提高抗热冲击断裂性能的措施
1. 2. 3. 4. 5. 提高应力强度σ 减小弹性模量E 提高应力强度σ，减小弹性模量E 提高材料的热导率 减小材料的膨胀系数来自百度文库减少材料表面热传递系数 减小产品的有效厚度
材料的热传导
（1）稳定传热过程: ）稳定传热过程:
定义
热传导: 热传导:材料中热量由高温向低温区域传递的现象。 热导率λ(Thermal Conductivity）： 热导率λ(Thermal Conductivity）： 单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直 面积的热量。 λ导热能力。 傅立叶（Fourier）定律： 傅立叶（Fourier）定律：
声子和声子导热
格波的传播看成是质点-声子的运动；
微观机理
格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞； 格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为 声子同晶体质点的碰撞； 理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。 晶体中，热传导的实质就是碰撞。
光子和光子导热
微观机理
光子的导热： 光子的导热：光子在介质中的传播过程 光的散射、衍射、吸收、反射和折射） （光的散射、衍射、吸收、反射和折射）
抗热冲击断裂性能
热应力引起的断裂破坏， 热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热 问题， 问题，因为这一个问题可缓解材料中的热 应力，一般有如下规律: 应力，一般有如下规律:
热导率越高，传热越快，有利于热稳定; 热导率越高，传热越快，有利于热稳定; 传热途径(通道) 传热途径(通道)短，易使材料中的温度均匀; 易使材料中的温度均匀; 表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 热应力就高， 就越不利于热稳定性。 热应力就高， 就越不利于热稳定性
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 400 800 1200 温度（0C） 温度（ 由于存在显微 裂纹而引起的 多晶的热膨胀 滞后现象
1. 热应力的产生 （1）热膨胀或收缩引起的热应力 当物体固定在支座之间， 当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的 材料上，膨胀受到约束时， 材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力-----（显微应力）。 显微应力）。
显微结构的影响
几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系
显微结构的影响
晶体和非晶体材料的导热系数曲线
化学组成的影响
MgO-NiO的固溶体的热导率 的固溶体的热导率
材料的热稳定性
热稳定性（抗热振性）： 热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧
变化（热冲击）而不致破坏的能力。 变化（热冲击）而不致破坏的能力。
热传导的物理机制
声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。 声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。 热阻： 声子扩散过程中的各种散射。 热阻： 声子扩散过程中的各种散射。 热传导系数χ 热传导系数χ： λ = 1 cvl 3
其中， 声子比热容； 声子传播速度； 声子平均自由程。 其中，c：声子比热容；v：声子传播速度；l：声子平均自由程。
热应力的产生
热应力： 热应力：由于温度变化而引起的应力 在复合体中， 在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或 结晶学方向有大的差别，形成应力， 结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力 过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 在材料中存在微裂纹， 在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞 后现象------ 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。 后现象 例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。 组成物中， 例如：在一些 组成物中 有此现象。
耐火材料 ： 1123K； ； 40min ； 283－293K； 3(5－!0)min － ； －
3 . 试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗 试样加热到一定温度后，在水中急冷， 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（ 。（高温结构 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构 材料）。 材料）。
材料的热传导与热稳定性
基本概念： 基本概念： 热传导 热导率（λ） 热导率（ 热扩散率（α） 热扩散率（α） 基本规律： 基本规律： dQ dT = λS 傅立叶（Fourier）定律： dt 傅立叶（ ）定律： dx 魏德曼 弗兰兹定律： 魏德曼-弗兰兹定律 弗兰兹定律：
λ = LT σ
热辐射： 热辐射：热射线的传递过程 可见光与部分近红外光的区域） （可见光与部分近红外光的区域）
影响热导率的因素
1. 温度的影响 2. 显微结构的影响 3. 化学组成的影响 4. 气孔的影响
温度的影响
温度较低时，主要是 声子传导 自由程则有随温度的升高而 迅速降低的特点 高 温 时 ,λ 则 迅 速 降 低 ， 在40K附近，出现极大值。 当达到1600K时，由于辐射 传热，λ又有所升高 热导率随温度的变化
dQ dT = λ S dt dx
材料的热传导
（1）不稳定传热过程: 不稳定传热过程:
定义
对于一个外界无热交换， 对于一个外界无热交换，本身又存在温度 梯度的物体， 梯度的物体，单位面积上的温度随时间的 T λ 2T 变化率为: 变化率为: = × 2 导热能力： 导热能力：λ t ρc p x λ 储热能力： 储热能力：Cv 热扩散率： 热扩散率： α = ρc 热扩散率： 热扩散率：α 魏德曼-弗兰兹定律： 魏德曼-弗兰兹定律：许多金属的热导率与 电导率之比与温度成正比： 电导率之比与温度成正比： λ / σ = LT
热冲击损坏的类型： 热冲击损坏的类型：
抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂； 抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂； 抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下， 抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料的表 面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。 面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。
热稳定性的表示方法
固体材料热传导的微观机理
固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。 固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。 热传导过程： 热传导过程：材料内部的能量传输过程 能量的载体：电子（德布罗意波） 能量的载体：电子（德布罗意波） 声子（格波）： ）：声频波的量子 声子（格波）：声频波的量子 光子（电磁波） 光子（电磁波） 金属：主要是电子导热为主， 金属：主要是电子导热为主， 合金/半导体：电子/声子导热， 合金/半导体：电子/声子导热， 绝缘体： 绝缘体：声子导热
表面热传递系数h 材料表面温度比周围环境 表面热传递系数h—材料表面温度比周围环境 温度高1K 1K时在单位面积单位时间带走的热量 温度高1K时在单位面积单位时间带走的热量。
提高抗热冲击断裂性能的措施
1. 2. 3. 4. 5. 提高应力强度σ 减小弹性模量E 提高应力强度σ，减小弹性模量E 提高材料的热导率 减小材料的膨胀系数来自百度文库减少材料表面热传递系数 减小产品的有效厚度
材料的热传导
（1）稳定传热过程: ）稳定传热过程:
定义
热传导: 热传导:材料中热量由高温向低温区域传递的现象。 热导率λ(Thermal Conductivity）： 热导率λ(Thermal Conductivity）： 单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直 面积的热量。 λ导热能力。 傅立叶（Fourier）定律： 傅立叶（Fourier）定律：
声子和声子导热
格波的传播看成是质点-声子的运动；
微观机理
格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞； 格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为 声子同晶体质点的碰撞； 理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。 晶体中，热传导的实质就是碰撞。
光子和光子导热
微观机理
光子的导热： 光子的导热：光子在介质中的传播过程 光的散射、衍射、吸收、反射和折射） （光的散射、衍射、吸收、反射和折射）
抗热冲击断裂性能
热应力引起的断裂破坏， 热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热 问题， 问题，因为这一个问题可缓解材料中的热 应力，一般有如下规律: 应力，一般有如下规律:
热导率越高，传热越快，有利于热稳定; 热导率越高，传热越快，有利于热稳定; 传热途径(通道) 传热途径(通道)短，易使材料中的温度均匀; 易使材料中的温度均匀; 表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 表面散热速率。该速率大，内外温差就大， 热应力就高， 就越不利于热稳定性。 热应力就高， 就越不利于热稳定性
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 400 800 1200 温度（0C） 温度（ 由于存在显微 裂纹而引起的 多晶的热膨胀 滞后现象
1. 热应力的产生 （1）热膨胀或收缩引起的热应力 当物体固定在支座之间， 当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的 材料上，膨胀受到约束时， 材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力-----（显微应力）。 显微应力）。
显微结构的影响
几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系
显微结构的影响
晶体和非晶体材料的导热系数曲线
化学组成的影响
MgO-NiO的固溶体的热导率 的固溶体的热导率
材料的热稳定性
热稳定性（抗热振性）： 热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧
变化（热冲击）而不致破坏的能力。 变化（热冲击）而不致破坏的能力。
热传导的物理机制
声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。 声子热传导：声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。 热阻： 声子扩散过程中的各种散射。 热阻： 声子扩散过程中的各种散射。 热传导系数χ 热传导系数χ： λ = 1 cvl 3
其中， 声子比热容； 声子传播速度； 声子平均自由程。 其中，c：声子比热容；v：声子传播速度；l：声子平均自由程。
热应力的产生
热应力： 热应力：由于温度变化而引起的应力 在复合体中， 在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或 结晶学方向有大的差别，形成应力， 结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力 过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 在材料中存在微裂纹， 在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞 后现象------ 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。 膨胀系数低于单晶的膨胀系数。 后现象 例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。 组成物中， 例如：在一些 组成物中 有此现象。
耐火材料 ： 1123K； ； 40min ； 283－293K； 3(5－!0)min － ； －
3 . 试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗 试样加热到一定温度后，在水中急冷， 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（ 。（高温结构 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构 材料）。 材料）。
材料的热传导与热稳定性
基本概念： 基本概念： 热传导 热导率（λ） 热导率（ 热扩散率（α） 热扩散率（α） 基本规律： 基本规律： dQ dT = λS 傅立叶（Fourier）定律： dt 傅立叶（ ）定律： dx 魏德曼 弗兰兹定律： 魏德曼-弗兰兹定律 弗兰兹定律：
λ = LT σ
热辐射： 热辐射：热射线的传递过程 可见光与部分近红外光的区域） （可见光与部分近红外光的区域）
影响热导率的因素
1. 温度的影响 2. 显微结构的影响 3. 化学组成的影响 4. 气孔的影响
温度的影响
温度较低时，主要是 声子传导 自由程则有随温度的升高而 迅速降低的特点 高 温 时 ,λ 则 迅 速 降 低 ， 在40K附近，出现极大值。 当达到1600K时，由于辐射 传热，λ又有所升高 热导率随温度的变化
dQ dT = λ S dt dx
材料的热传导
（1）不稳定传热过程: 不稳定传热过程:
定义
对于一个外界无热交换， 对于一个外界无热交换，本身又存在温度 梯度的物体， 梯度的物体，单位面积上的温度随时间的 T λ 2T 变化率为: 变化率为: = × 2 导热能力： 导热能力：λ t ρc p x λ 储热能力： 储热能力：Cv 热扩散率： 热扩散率： α = ρc 热扩散率： 热扩散率：α 魏德曼-弗兰兹定律： 魏德曼-弗兰兹定律：许多金属的热导率与 电导率之比与温度成正比： 电导率之比与温度成正比： λ / σ = LT
热冲击损坏的类型： 热冲击损坏的类型：
抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂； 抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂； 抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下， 抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料的表 面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。 面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。
热稳定性的表示方法