第十章材料的结构与热学性能ppt课件.pptx

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1、第十章 材料的结构与热学性能,李文戈 教授商船学院,材料结构与性能,由于材料及其制品都是在一定的温度环境下使用的，在使用过程中，将对不同的温度作出反映，表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的热学性能。,材料热学性能,材料热学性能主要有热容、热膨胀、热传导、热稳定性等。,莫来石轻质断热砖,材料的各种热性能的物理本质，均与晶格振动有关。 材料是由晶体及非晶体组成的。晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产生热量。这种振动称为晶格热振动。由于热运动，各原子离开了它们的平衡位置，由于原子间的相互作用，有回到平衡位置的趋势。这两个矛盾相互作用的结果，使每个原子在平衡位

2、置附近作微振动。材料各种热学性能的物理本质，均与其晶格热振动有关。,材料热学性能的物理本质,材料热学性能研究的意义,材料的组织结构发生变化时常伴随一定的热效应，因此，在研究热函与温度的关系中可以确定热容和潜热的变化。热性能分析已成为材料科学研究中重要手段之一，特别是对于确定临界点并判断材料的相变特征时有重要意义。,晶格热振动以格波的形式在材料内传播。,材料中所有质点的晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种存在于晶格中的波叫做格波。 格波是多频率振动的组合波。,声频支振动如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此间的位相差不大，称为声频支振动。 声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方

3、向。,光频支振动格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为光频支振动。 光频支是不同原子相对振动引起的。若晶格中有N个分子，每个分子中有n个不同的原子，则该晶体中有N(n-1)个光频波。,一维双原点阵中的格波(a) 声频支；(b) 光频支,晶格振动的能量及声子的概念,量子理论的回顾,某一质点的能量为：,（n为量子数）,普朗克常数记为 h ，是一个物理常数，用以描述量子大小。在量子力学中占有重要的角色，马克斯普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。

4、这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v为辐射电磁波的频率，h为一常量，叫为普朗克常数。,普朗克常数的值约为：h=6.626069310-34Js,格波的能量同样也是量子化的，我们把声频支格波的量子（最小能量单位）叫声子。把格波的传播看成是声子的运动，就可以把格波与物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞，把格波在晶体中传播时遇到的散射看作是声子同晶体中质点的碰撞，把理想晶体中热阻（表征材料对热传导的阻隔能力）归结为声子-声子的碰撞。,材料的热膨胀,热膨胀的本质 与其他物理性能的关系 影响因素 热膨胀测量方法 热膨胀的工程应用,热膨胀的物理本质,什么是热膨胀？ 热膨胀系数 热膨胀的物理本

5、质,热膨胀系数,温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。,平均线膨胀系数,微分线膨胀系数,体膨胀系数,各向同性,各向异性,部分材料的线性膨胀系数,某些无机材料的热膨胀系数与温度之间的关系,无机材料的线膨胀系数一般都不大,物理本质（作用力曲线解释）,原子热振动是非线性 的！,温度升高，原子振动激烈。,原子向右移动的幅度更大一些， 导致振动中心右移。,0 K时，原子处在平衡位置。,物理本质（势能曲线解释）,势能曲线是不对称 的！,0 K时，原子的势能最低。,温度升高，原子的势能增加。,势能曲线的不对称，使振动 中心右移。,材料热膨胀的本质: 在于晶格点阵实际上在作非简谐振动，晶格振动中相邻质点间

6、的作用力实际上是非线性的，点阵能曲线也是非对称的。,理想状态,实际状态,2. 与其他物理性能的关系,体膨胀与定容热容成正比，并且它们有相似依赖关系。,1、与热容的关系,格律乃森定律,Al2O3的热容和膨胀系数随温度的变化,金属的结合能越大，熔点越高，其膨胀系数越小。,2、与结合能、熔点的关系,对所有的纯金属,（a、b是常数）,几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点,3、与结构的关系,对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。,而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。,温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系 数的改变。,ZrO2陶瓷的热膨胀曲线,1000时,单斜晶型,四方晶型,发生体积收缩 4 %,4. 与相变的关

7、系,一级,二级,3. 影响热膨胀性能的因素,相变的影响成分和组织的影响各向异性的影响,相变的影响,一级相变：体积突变，有相变潜热。 二级相变：无体积突变和相变潜热； 但膨胀系数和比热容有突变。,直接用热膨胀实验分析,用热膨胀实验可以研究二级相变,二级相变,同素异构体转变 有序无序转变 温度变化时发生的晶型转变,Fe：相 相,Cu-Au合金,化学成分的影响,固溶体的热膨胀系数略低于按直线规律计算的值。,Cu Au合金固溶体的膨胀系数,0,20,40,60,80,100,rE / %,l,Cu Au合金膨胀系数,两相材料热膨胀系数计算值的比较,多相合金体的膨胀系数主要取决于组成相的性质和数量,内应

8、力抑制了热膨胀,4. 热膨胀的测量,光学膨胀仪 电测试膨胀仪 机械式膨胀仪,光杠杆膨胀仪光干涉法,电感式膨胀仪电容式膨胀仪,千分表式膨胀仪杠杆式膨胀仪,光杠杆式膨胀仪原理图,热膨胀测试仪（德国耐驰公司）,测试原理： 将样品放入炉体内，施一定温度程序，此时样品长度的变化通过推杆传递到左侧的检测单元，并由位移传感器测量得到结果。,一、技术参数：1. 升降温速率：0-50 K/min2. 测量范围：5005000 m3. 样品长度：最大 50 mm 样品直径：最大 12 mm4. L 分辨率：0.125 nm / 1.25 nm5. 样品支架：石英支架（ 1100），氧化铝支架（ 1700）， 石墨

9、支架（2000）二、主要特点：1. DIL提供多种类型的样品支架与炉体配置。 2. 提供各种配件使测试更灵活方便。 3. 提供速率控制烧结软件（RCS）。 4. 提供 c-DTA 功能，可通过图谱分析计算得到差热DTA曲线。三、 应用领域： 可测量固体、熔融金属、粉末、涂料等各类样品，广泛应用于无机陶瓷、金属材料、塑胶聚合物、建筑材料、涂层材料、耐火材料、复合材料等领域。,德国耐驰DIL402C热膨胀仪,热膨胀仪典型图谱,5. 热膨胀的工程应用,1、热膨胀的工程意义,陶瓷工业,薄膜生长,航天器的设计,金属的表面改性,施釉,要求釉层的膨胀系数比坯体要小,为什么？,结合后面涉及到的热应力知识进行解

10、释。,烤瓷牙,微机械（MENS）领域,热膨胀在工程中的意义 热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有重要意义。1) 是决定材料抗热震性的主要因素。2) 陶瓷坯上釉， 二者应匹配。釉适当小于坯，烧结冷却过程中，釉层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小的太多也不行，会使釉层脱落。3) 集成电路、电子管、特种灯生产中。4) 复合材料制备。5) 精密仪器仪表。,材料的种类（依据热膨胀系数）,高热膨胀材料零热膨胀材料负热膨胀材料,金属材料、高分子材料，具有较高的弹性和塑性。,形状记忆合金、智能材料、微型机械等,合金材料、陶瓷材料,航空航天、精密仪表等领域,航空航

11、天、光电子精密仪器制造等领域,陶瓷材料,2、热膨胀分析的应用,膨胀分析对研究钢在加热、等温、连续冷却和回火过程中的转变非常有效。,确定钢的组织转变点,研究加热转变,材料的热传导,热传导的基本概念和定律物理机制魏德曼-弗兰兹定律影响因素热导率的测量,1. 基本概念和定律,温度梯度、热导率（导热系数）、热扩 散率（导温系数）、热阻； 稳定传热过程、不稳定传热过程； 傅里叶定律,什么是热传导？,固体材料在温度梯度的作用下，热量从热端自动传向冷端。,材料的热传导,稳定传热过程,非稳定传热过程,热量传递的几种途径：热传导、热辐射、热对流。,热传导,热对流,热辐射,热传导物质内部或相互接触的物质之间的传热

12、方式，物质并不作相对运动，只是热运动能量借助格波或电子从高温区传向低温区。热传导是固体传热的主要方式。热对流是流体传热的主要方式。物体之间或流体内部，通过流体的相对流动，把能量从高温区带到低温区。热辐射任何具有一定温度的物体都在不停地向外部辐射电磁波，借助电磁波将能量从一个物体传送到另一个物体，这种传递热量的方式称为热辐射。在高温和真空条件下，物体不相互接触时，热辐射是传热的主要方式。,几种基本的传热方式比较,热辐射的特点,可以不需要冷热物体的直接接触。即不需要介质的存在， 在真空中就可以传递能量。,无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互 辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于

13、低温物体 辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温。,在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能,热传导的特点与机理,1. 导热的特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒 子热运动而传递热量 不发生宏观的相对位移,2. 导热机理 气体：气体分子不规则热运动时相互 碰撞的结果。 导电固体：自由电子运动。 非导电固体：晶格结构的振动。 液体：很复杂。,表征物体温度变化的速率， 越大的材料各处温度变化越快，温差越小，达到温度一致的时间越短。,单位温度梯度下，单位时间通过单位截面积的热量。其倒数称为热阻率。,热导率与热扩散率,热导率（导

14、热系数）,热扩散率（导温系数）,热流密度,反映了材料的导热能力。,反映了材料上各点的温度随时间变化的快慢。,傅里叶定律,当板材厚度为无限小时，有,1822年，法国科学家傅里叶提出,傅里叶定律：热流密度正比与温度梯度。,注意：傅里叶定律只适用于稳态热传导。,一些材料的导热系数,比较一下传热学与电学中的一些物理量,热导率 电导率 热流密度 电流密度 热阻 电阻 傅里叶定律 欧姆定律 温度梯度 电势差,2. 热传导的物理机制（微观机制）,气体传热的机理是什么？,固体传热的机理是什么？,热量依靠什么进行转移和传递？,分子碰撞,晶格振动 （声子）,自由电子运动,格波,声频支,光频支,晶格振动,声子,材料

15、的传热机理,分子导热机理,电子导热机理,声子导热机理,光子导热机理,气体,金属、半导体,金属、半导体、绝缘体,固体高温条件下,格波,声频支,光频支,固体的传热,声子热传导,光子热传导,自由电子热传导,声频支,光频支,分子导热机理,气体分子相互作用或碰撞引起的结果。,自由电子导热机理,自由电子间的相互作用或碰撞。,金属中导热的主要机制,低温下声子导热对金属的贡献将略有增大。,自由电子导热与温度的关系,金属导热系数的理论曲线,很低温度,中等温度,很高温度,随温度线性呈线性变化,不随温度变化而变化,随温度增加略有减小,声子和声子热导,声子：晶格振动的“量子”,声子的运动：格波的传播过程,热传导过程：

16、声子从高浓度区到低浓度区的扩散过程。,热阻：声子扩散过程中的各种散射。,声子的能量：,类似于气体热传导是分子碰撞的结果，晶体热传导是声子碰撞的结果。,固体材料的导热是电子、声子和光子导热共同作用的结果，有,电子的导热系数,声子的导热系数,角标j表示不同载体类型的相应物理量。,声子的平均自由程,影响因素：,格波间的相互作用,声子与声子之间的碰撞,缺陷、杂质以及晶粒间的界面,声子的振动频率,温度,热阻,取决于自由行程,l,T,l,光子导热机理,固体中分子、原子、电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出电磁波，具有较强热效应的波长在0.440m间（相当于红外、近红外光区）。,热传导过程类似于光在介

17、质中传播的现象。,例如，太阳光、白炽灯、火把等。,黑体辐射的能量：,则热容为,于是，辐射导热系数,光子导热系数的大小主要决定于它的自由程。,黑体：能全部吸收投射到其表面辐射能的物体。,特点：具有最强的辐射和吸收能力。,光子导热的定性解释,任何黑体都会辐射出能量，也会接受能量。温度高的单元体中，放出的能量多，而吸收的能量少；而温度低的单元体中，放出的能量少，而吸收的能量多。,结果，热量从高温处流向了低温处。,光子的平均自由程,它的影响因素：,透明度,吸收和散射,气孔率,光子的自由行程 是影响光子传导的主要因素。,透明度,对辐射线透明者， 大，热阻小；,对辐射线不透明者， 小，热阻大；,对辐射线完

18、全不透明者， = 0，热阻小， 辐射传热就可忽略。,单晶、玻璃,陶瓷,773 1273 K,1773 K以上,吸收和散射,透明材料：吸收系数小，在几百摄氏度时，光辐射为 主要传热形式；,不透明材料 : 吸收系数不大，即使在高温下，光子 传热也不是重要的。,无机非金属材料中，在1500 以上，光子传导才是主要的。,气孔率,材料中存在的气孔能使光发生散射，引起光子衰减，进而导致光子的平均自由程和光子导热系数减小。,大多数陶瓷材料具有一定的气孔率，其光子导热系数总是比玻璃和单晶体小得多，只有在1500以上的高温，其光子导热过程才开始起重要作用。,第三节 材料的热传导,热传导的基本概念和定律物理机制魏

19、德曼-弗兰兹定律影响因素热导率的测量,3. 魏德曼-弗兰兹定律,洛伦兹数L 在 T 0的温度下近似为常数。,意义：通过测定电导率来确定金属热导率。,在室温下许多金属的热导率和电导率之比几乎相同，且不随金属不同而改变。,几种物质的导热系数,纯铜：398 W/(mK)丝绸：0.363 W/(mK)棉花：0.0589 W/(mK)水： 0.6 W/(mK)空气：0.026 W/(mK),4. 热导率的影响因素,温度的影响晶体结构的影响化学成分和杂质的影响分子量、密度和弹性模量缺陷和显微结构的影响,温度的影响,晶体,非晶体,晶体的导热系数,低温时，随温度升高，l 值上升， 其上限为晶粒尺寸大小；,当温

20、度达到一定值时，随温度 升高，l 值下降，其下限为几个 晶格间距；,高温时，随温度升高，l 值基本 上保持不变。,晶体导热系数曲线的一般形式,几种材料的1/lT曲线,氧化铝单晶的热导率随温度的变化,非晶体的导热系数,非晶体导热系数曲线,中低温，主要是声子导热。 此时，温度升高，热容也升 高，故导热系数也升高。,中温到较高温度，热容渐变 为常数，故导热系数接近 常数。,高温，声子导热变化仍不大， 但光子的平均自由行程增大， 导热系数缓慢升高。,晶体与非晶体导热系数曲线比较,非晶体的自由行程在整个温度区间内变化不大。,几种晶态氧化物及玻璃态二氧化硅的1/lr-T曲线,晶体结构的影响,晶体结构越复杂

21、，导热系数越低,多晶体和单晶体的影响不同,气孔对导热系数的影响,声子或格波的散射加剧,多晶体的热导率较低，随温度升高其与单晶的差异变大,气孔率越大，导热系数越小,结构复杂程度对导热系数的影响,单晶体和多晶体的热导率变化情况,气孔率对热导率的影响,气孔率增加,气孔率较大的材料具有较低的热导率，因而适合用作保温材料。,化学成分和杂质的影响,金属材料,无机非金属材料,金属,合金中加入杂质元素将使导热系数降低杂质与基体的差异越大，对热导率的影响越大基体导热系数越高，合金元素对热导率的影响越大晶粒越细小，导热系数越低。,无机非金属材料,形成固溶体时，由于晶格畸变，缺陷增多，使声子 的散射几率增加，平均自

22、由程减小，热导率减小。,溶质元素的质量、大小与溶剂元素相差越大，以及 固溶后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。,MgO - NiO 固溶体的热导率,杂质含量越低，杂质含量对热导率的影响越显著；温度越低，杂质含量对热导率的影响也越显著。,分子量、密度和弹性模量的影响,密度越小，导热系数越大；压缩系数越小或杨氏模量越大，导热系数越大；原子量越小，导热系数越大；对于各向异性的物质，热膨胀系数较小的那个方向，导热系数越大；反之，热膨胀系数较大的那个方向，导热系数则较小。,某些无机材料的热导率,石墨和BeO具有最高的热导率；通常，低温时有较高热导率的材料，随温度升高，热导率降低，而低热导率的材料正好

23、相反；玻璃体的热导率随温度升高缓慢增大；某些建筑材料、粘土质耐火砖及保温砖，热导率随温度升高线性增大。,某些无机材料的热导率,Al2O3、BeO和MgO：,玻璃体：,某些建筑材料、耐火砖等：,将下列物质按热导率大小排序，并说明理由：（）铬（）银（）Ni-Cr合金（）石英（）铁,5. 热导率的测量,稳态法非稳态法,在稳定导热状态测定试样热导率的方法,在不稳定导热状态测量的方法,温度梯度,热流密度,材料的热导率,如何控制热流密度难度较大,温度场随时间的变化,材料的比热容,材料的密度,材料的热导率,测量速度快，热损失较小,材料的导温系数,测试时间长，热损失大,热流仪（德国耐驰公司）,上下板的温度恒定

24、,通过样品的温度梯度恒定,通过样品的热流恒定,材料的热导率,热流仪工作原理图,地址：材料学院A306室,热流仪,试样尺寸：30 mm30 mm,厚度：1 mm 20 cm,导热系数范围：,0.005 0.50 W/m K,应用举例：,微孔绝热材料,乙丙橡胶泡沫,膨胀聚苯乙烯,热导率的工程应用,保温墙体材料隔热耐火材料的选用核反应堆中，燃烧元件的最高反应温度热电动力堆、锅炉的效率航空、航天工业电子信息工业,梯度功能材料,材料的热稳定性,热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料,热稳定性（抗热震性）： 材料承受温度变化而不致破坏的

25、能力。,抗热冲击损坏,抗热冲击断裂性,抗热冲击损伤性,抵抗瞬时断裂（急冷急热）,抵抗循环作用的热冲击,主要针对脆性和低延性材料,主要针对高低延性材料,热疲劳,什么是热稳定性？,什么是热稳定性？,不同应用条件下，因工况环境的不同，对材料的要求也不同。无机材料或其它脆性材料的热稳定性比较差。,日用陶瓷：能承受的温度差为200 K左右的热冲击。火箭喷嘴：瞬时可承受3000 4000 K温差的热冲击。,1. 热稳定性的表示方法,对试样或制品的热稳定性评定，通常还是采用比较直观的方法。,日用瓷：,加热,急冷,提高温度加热,急冷,逐渐提高加热温度重复操作，直至龟裂。,普通耐火材料：,龟裂前一次温度,加热到

26、一定温度保温,急冷,重复操作直到试件失重20 %。,操作次数,2. 热应力及第一热应力断裂抵抗因子,热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。,起源：,热胀冷缩,多相复合材料中各相膨胀系数的差异,材料中的温度梯度,加热过程,冷却过程,压应力,张应力,负值,正值,热应力可导致材料的断裂破坏或发生不希望的塑性变形。,例如，对平面陶瓷薄板,薄板突然冷却时，瓷体外表面温度低，中间温度高。则热应力：,x 方向上,z 方向上,y 方向上,0,在材料断裂的瞬间，x =z =max，若它恰好达到材料强度，则会出现开裂破坏，则不使材料受热冲击断裂的最大温差：,为泊松比f 极限抗拉强度,对非薄板材料,抗热冲击断裂

27、性能,第一热应力抵抗因子 R,第二热应力抵抗因子 R,第三热应力抵抗因子 R,以强度应力为判据,温差的影响,热导率传热的途径材料表面散热率,导温系数,第四节 材料的热稳定性,热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料,3. 抗热冲击损伤性,材料中裂纹的产生、扩散以及蔓延的程度与材料积存的弹性应变能和裂纹扩展的断裂应变能有关。,可能积存的弹性应变能,裂纹蔓延时所需的断裂表面能,热稳定性,对含有微孔的材料和非均质的金属陶瓷有效。,4. 提高抗热冲击断裂性能的措施,提高材料强度，减小弹性模量E，使比值提高提高材料的热导率，使 R 提高

28、减小材料的热膨胀系数减小表面热传递系数 h减小产品的有效厚度 rm,第四节 材料的热稳定性,热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料,1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续变化的热防护梯度功能材料的概念。1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。,梯度复合管,5. 梯度功能材料,1993年，美国国家标准技术研究所开始以“开发超高温耐氧化保护涂层”为目标进行梯度功能材料研究。最近，通过改变复合两相的配制，在复合材料内部形成精细的构造梯度。梯度功能材料已经发展成为当前

29、结构材料和功能材料研究领域中的重要主题之一。,摩擦升温后，梯度材料变化较小普通材料则变成兰紫色,梯度功能材料由几种性质不同的材料组成，但与复合材料之间有明显区别。,梯度功能材料与复合材料比较,梯度功能材料的原理及特点,梯度功能材料主要特征有：材料的组分和结构呈连续性梯度变化；材料内部没有明显的界面；材料的性质也呈连续性梯度变化。,ZrO2-CrNi合金FGM横截面，白色的陶瓷粉末与黑色的合金粉末含量呈连续性梯度变化，没有明显的界面。,金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用导热和强度好的金属材料。材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机械强

30、度逐渐升高。热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值(比突变界面的应力峰值小得多)，具有缓和热应力的功能。,金属和陶瓷构成的材料特性（a）无梯度（b）有梯度,90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯度功能材料，目前已研制出能耐1700的ZrO2/Ni梯度功能材料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采用热防护梯度材料解决热应力问题。梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。,空天飞机,火箭燃烧室,航天方面,在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显

31、著提高它们的缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高应变速率变形和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。,航空母舰甲板,船舶方面,为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷涂厚度大于2 mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。,柴油机活塞头,汽油机活塞头,汽车方面,核反应方面,核反应堆内壁温度高达数千K。如果其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热膨胀引起的应力，解决界面

32、问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。,核反应堆,固体氧化物燃料电池堆的新型设计是采用金属/陶瓷的多层梯度结构，它们与金属整体互连。组分梯度性过渡可有效减小电池充放电对电极材料引起的微观应力，延长电池使用寿命，有效降低成本，简化制造。,燃料电池,能源方面,光学器件方面,梯度功能材料推动一个新的光学分支-梯度折射率光学的形成，在光学器件中有大量应用。梯度折射率透镜体积小、焦距短、消像差性好，组成的光学系统可大大减少非球面组件数，简化光学器件结构。梯度折射率光纤可以自聚焦，提高耦合效率。,梯度折射透镜,棒透镜,生物医学方面,羟基磷灰石(HA)陶瓷和钛或Ti-6Al-4V合金组成的梯度功能材料可作为

33、仿生人工关节和牙齿。HA是生物相容性优良的生物活性陶瓷，钛及其合金生物相容性也很好，强度高，人造牙的齿根外表采用耐磨性优良的HA陶瓷，内部采用可承受较大变形的钛或Ti-6Al-4V合金。,梯度功能材料制成的人造牙,烧结后特别适于植入人体，在保证良好的生物相容性的同时提供一定的支撑强度，还可以显著提高牙齿的缺口阻力，抑制微观裂纹损伤。,HA-玻璃-钛功能梯度复合材料截面示意图,电子材料方面,PZT压电陶瓷广泛用于制造超声波振子、陶瓷滤波器等电子元件，但其在温度稳定性和失真振荡方面存在一定问题。通过调整材料组成，使其梯度化，能使压电系数和温度系数得到最恰当的分配，提高压电器件的性能和寿命。,压电陶瓷器件,本章小结,材料的热容,材料的热传导,材料的膨胀,材料的热稳定性,经典理论 量子理论 影响因素,物理本质 影响因素,基本概念 物理机制 影响因素,热应力 提高抗冲击断裂性能的措施,表示热学性能的参数比较,温度的影响,热容,热膨胀系数,导热系数,随温度升高而增大，较高温时趋于平缓。,类似于热容和温度的关系。,随温度升高，先迅速升高然后下降，至高温时趋缓。,同电导率与温度关系,化学成分的影响,热容,热膨胀系数,热导率,符合线性定律，,同热容与化学成分关系,合金导热系数低于任何组成元素的导热系数，二元合金在50 %处导热系数最低。,同电导率成分关系,