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1、无机材料的热学性能班级：粉体二班 姓名：巩朝义 学号：1003012020摘要：一直以来，材料的研究始终受到科学家的关注。目前，材料的研究领域进一步朝着纵向与横向两方面发展。各种新型材料层出不群，比如功能材料、纳米材料、陶瓷材料、无机非金属新材料等等。材料有多种性能，本文主要从材料学和材料物理的角度出发，系统介绍了材料的热学性能。关键词：无机非金属 性能 热学性能 前言无机材料的热学性能包括熔点、比热容热膨胀系数和热导率等，抗热震性是指材料承受温度骤变而不至于被破坏的能力。热学性能是许多工程应用，如耐火材料和保温材料、高导热集成电路基片、高温结构件和航天防热构件等需要首先考虑的因素，因此具有重
2、要的工程应用的价值。正文：热学性能1.熔点与金属和高分子材料相比，耐高温是陶瓷材料的优异特性之一。材料的耐热性一般用高温强度、抗氧化及耐烧蚀性等因子来判断。要成为耐热材料，首先熔点 Tm（melting point）必须高。熔点是维持晶体结构的院子间结合力大小的反映，原子间结合力越大，原子的热震动越稳定，越能将晶体结构维持到更高温度，熔点就越高；否则熔点就越低。单质材料中，碳素材料的熔点最高；陶瓷中具有NaCl 型晶体结构的碳化物熔点一般都很高；氧化物、硼化物也不乏高熔点的物质，氧化物中具有 NaCl 型晶体结构的、硼化物中具有NaCl 型晶体结构和六方型 A1B2晶体结构的材料大多熔点很高；
3、对于氧化物熔点高的物质则多具有萤石结构和 NaCl 型晶体结构。T m与材料的很多性质相关。金属材料存在如下关系：H f RTm,R 为普适气体常数。对大多数陶瓷材料则有H f （34）RT m。2.比热容比热容（旧称比热）是材料热学性能中最基本的物性之一，它是指单位质量的材料要升高（降低）1K 所需吸收（或放出）的热量。单位质量的材料以克或千克计算时，对应的比热容的单位为J/（gK）或 J/（kgK） 。单位质量的材料以摩尔计算时，对应的比热容为“摩尔热容”其单位为 J/（molK） 。摩尔热容有定压摩尔热容 Cpm和定容摩尔热容 Cvm之分。前者是指在恒定外界压力条件下的摩尔热容，适用于实
4、际生产情况；后者是指材料体积不变情况下的摩尔热容。可从理论上推导出定容摩尔热容 Cvm与温度的关系。绝对零度时Cvm=0；在低温区域，随着温度的升高，C vm和（T/） 3成正比例增大（ 为特征温度或德拜温度，=hv/k，其中 h 为普朗克常数，k为波尔兹曼常量，v 为原子绕其晶格阵点震动的频率） ；但在高温下（大多数陶瓷材料在 1000左右） ，C vm趋于一定值。C vm=3R=24.9 J/（molK）在温度超过特征温度 （以绝对温度计算，特征温度约为熔点的 1/51/2）时，摩尔热容以适中的速率继续增长。Cvm=3R=24.9 J/（molK）所给出的常数值相应于振动对摩尔热容的贡献，
5、这种贡献在低温时是主要因素。在较高温度时，定压摩尔热容 Cpm也增加较快从而定容摩尔热容 Cvm发生较大的偏离。3.热膨胀系数在任一特定温度下，我们可以定义线热膨胀系数 l和 v为 l= ; v= 。式中， l约等于 3 v。一般来说，热1dlT01VdT膨胀系数的数值是温度的函数，但在有限的温度范围内，采用平均值就足够了，即 = ; = l1TvV1T绝大多数物质的热膨胀系数为正，只有 3D-C/C、Li 2OAl2O32SiO2和 ZrW4O8例外。4.热导率热导率是指热量流过材料的速率，它可以用一下方程来定义：=A 式中，dQ 是在时间 dt 内，在与热流方向垂直的面积dQtTdxA 内
6、流过的热量，热流正比于温度梯度dT/dx，比例系数 是一种材料常数，即热导率，单位为 W/（cmK）另外，可从热导率计算出热扩散系数 ： ,式中，C p为p恒压比热容； 为密度； 表征物体内部温度趋于均衡的能力；故又称导温系数，它的大小将直接影响物体中的温度梯度分布，其单位为 m2/s。4.热抗震性概念：无机非金属材料中热应力大小取决于其力学和热学性能，并且还受构件几何形状和环境介质等因素的影响。所以，作为表征无机材料抵抗温度变化而不至于破坏能力的抗热震性，其优劣也必将是其力学和热学性能的综合体现。无机脆性材料抗热震性的研究始于 20 世界 50 年代，迄今为止已近提出了多种抗热震性的平价理论
7、，但都不同程度地存在着局限性。4.1 抗热震性评价理论无机材料的热震破坏可分为两大类：一是热震（或热冲击）作用下的瞬时断裂；二是热震循环作用下的开裂、剥落，终至整体损坏（亦称热疲劳） 。据此，脆性无机材料抗热震性的评价理论也相应分为两种观点。一种是基于热弹性理论，以热应力 H和材料固有强度 f之间的平衡条件作为热震破坏的判据，当 H f即材料固有强度不足以抵抗热震温差T 所引起的热应力时，就导致材料“热震断裂” 。其中以 Kingery 的“临界应力断裂理论”最具代表性。另一种是基于断裂力学的概念，以热弹性应变能 W 和材料的断裂能U 之间的平衡条件作为热震破坏的判据，当 WU，即材料中的热弹
8、性应变能足以支付裂纹成核和扩展产生新表面所需的能量 U 时，裂纹就成核和扩展，从而导致材料热震损伤。基于此观点的理论以Hasselman 的“热震损伤理论”与“断裂开始和裂纹扩展的统一理论”最成功。4.2 热震剩余强度的预测脆性无机材料热震裂纹扩展和强度下降的理论，对于将处于热震环境中的陶瓷构件的选择和设计起着一定的作用。但要进一步了解热应力引起强度下降的本质，并对严重热震情况下无机材料的强度下降进行准确预测，必须对热震断裂机制开展深入研究，将其从定性提高到半定量、定量的高度上。Hasselman 从陶瓷棒热震裂纹成核后的弹性应变能和表面能之间的平衡出发，求出热震前（ 0）和热震后（ r）的强
9、度关系式 可见，材料的原始强度越高，其热震强度剩余率越低。多3/20r晶 Al2O3的热震强度剩余率与原始强度的关系符合 所示的线3/20r性规律。该公式只适用于脆性陶瓷材料，对加载过程中表现出伪塑性变形行为的连续纤维增强的高韧性复合材料则无效。结束语：无机非金属新材料是发展现代工业、农业、国防和科学技术不可缺少的基础材料,随全球经济复苏及进一步发展,无机非金属新材料进入了一个重要发展规划机遇期。在无机非金属材料行业的发展趋势来看,新型的无机非金属材料有着不可替代的地位,它对我国的、对世界各国来说都是一个新型的产业,更应抓住这个机遇去研发、去运用到更行各业中,提高国家的更项水平,当然困难也是与此存在的,所以要克服困难,迎难而进,创造出新的佳绩。参考文献1 关振铎,焦金生.无机材料物理性能D, 北京：清华大学出版社，1992,5-12.2 周玉等.陶瓷材料学D,哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995,1-3.3 贾成厂.陶瓷基复合材料导论D, 北京：冶金工业出版社，2002,78-81.
