无机材料的热学性质思维导图

根据《无机材料物理性能》第二版第四章总结，由清华大学出版社出版。

无机材料的热学性质

• 热传导
  • 定义
  • 参数：热导率λ
    • 能流密度J=-λdT/dx
  • 机理
    • 1.声子热导（温度不高）
      • 格波间相互作用越强，声子间碰撞几率越大，相应的平均自由程越小，热导率也越小。因此，声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。
    • 2.光子热导（温度较高）
  • 影响因素
    • 1.温度
      • 温度不高时（声子传导）
        • C在低温下与T³成正比，超过德拜温度后便趋于一恒定值
        • l随着T↑而↓（上限为晶粒线度，下线为晶格间距）
        • υ随着T↑而↓（结构松弛而产生蠕变，弹性模量E↓）
      • 温度较高时（光子传导）
        • 少许回升
      • 整体上
        • p
    • 2.显微结构
      • 多晶体比单晶体小（l小）
        • p
      • 非晶体比晶体小
        • p
    • 3.化学组成
      • 质点原子质量↓，密度↓，杨氏模量↓，德拜温度↑，则热导率越↑
      • 杂质效应
        • p
    • 4.复合陶瓷
      • p
      • p
    • 5.气孔率
      • p
• 热稳定性
  • 定义
    • 材料承受温度的急剧变化而不受破坏的能力
  • 机理（热应力）
    • 平面板状材料：p
    • 非平面板状：p
  • 参数
    • 抗热冲击断裂性能（强度-应力为依据）
      • 第一热应力断裂抵抗因子R（表征急冷急热时的情况β＞20）
        • 材料所能承受的最大安全温差：p
      • 第二热应力断裂抵抗因子R′（表征材料内部外部温差小且稳定分布β≤0.5）
        • 考虑散热情况：R′=Rλ
      • 第二热应力断裂抵抗因子R′′（表征冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力）
        • R′′=R*a，a =λ/ρc为导温系数
    • 抗热冲击损伤性（应变能-断裂能为依据）
      • p（正比于微裂纹半长和裂纹条数）
      • 提高措施
        • 1. 提高材料强度σf，减小E,是σ/E提高
        • 2. 提高热导率λ，使R′提高
        • 3. 减小热膨胀系数α
        • 4. 减小表面热传导系数h
        • 5. 减小产品的有效厚度r
• 热膨胀
  • 定义
  • 参数：热膨胀系数α
  • 机理
    • 物理本质：点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大
    • 具体内容
      • 温度越高，振幅越大，质点在ro两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动越多，相邻质点间平均距离就增加的越多，以致晶胞参数增大，宏观上表现为热膨胀
        • p
        • p
  • 与其他性能关系
    • 1.与结合能、熔点的关系
      • 结合能越大，熔点越高（结合力越大），热膨胀系数越小
    • 2.与温度、热容的关系
      • 0K时，α、C→0；在高温时，C趋于恒定，α仍↑
    • 3、与结构的关系
      • 结构紧密的晶体膨胀系数更大（无定形的玻璃小）；晶型转化影响
  • 多晶体和复合材料的热膨胀
  • 热膨胀应用：封接，涂层
• 热容
  • 定义
  • 2个经验定律
    • 元素的热容定律
      • 恒压下元素的原子热容为25J/(mol·K）
    • 化合物的热容定律
      • 化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和
  • 量子理论（解释低温下热容减小的现象）
    • 爱因斯坦模型
      • 假设：每一个原子都是一个独立的振子，原子之间彼此无关，并且都以相同的角频率w振动
      • 结果：低温不准（忽略了振动之间频率的差别）
    • 德拜的比热模型
      • 假设：波长较长的声频支在低温下的振动占主导地位，而其波长远大于晶体的晶格常数，因此可以把晶体近似为连续介质
      • 结果：当T→0，Cv与T³成正比并迅速趋于零
  • 影响因素
    • 气孔率（越大，热容越小）：单位体积的热容
    • 相变
• 基础
  • 物理本质与晶格热振动相关
  • 弹性波（格波）
    • 声频支（低频率格波，相差不大）
    • 光频支（高频率格波，相差大，临近质点运动几乎相反）
    • p