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1、在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第十章第十章 材料的结构与热学性能材料的结构与热学性能李文戈 教授商船学商船学院院材料结构与性能材料结构与性能材料结构与性能Merchant Marine College 由于材料及其制品都是在一定的温度环境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能称为材料的热学性能热学性能。材料热学性能材料热学性能材材料热学性能
2、料热学性能主要有热容、热膨胀、热传主要有热容、热膨胀、热传导、热稳定性等导、热稳定性等。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确莫来石轻质断热砖材料结构与性能材料结构与性能Merchant Marine College材材料的各种热性能的料的各种热性能的物理本质物理本质，均与，均与晶格振动晶格振动有关有关。材材料是由晶体及非晶体组成的。晶体点阵中的质点（原子、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。离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产生热量。这种振动称为这种振动
3、称为晶格热振动晶格热振动。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置附近作微振动。用的结果，使每个原子在平衡位置附近作微振动。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的物理本质材料结构与性能材料结构与性能Merchant Marine College材料热学性能研究的意义材料热学性能研究的意义材材料的组织结构发生变化
4、时常伴随一定的热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于确定临界点并判断材料的相变特征时有重要意义。要意义。材料结构与性能材料结构与性能Merchant Marine College晶格热振动以格波的形式在材料内传播。晶格热振动以格波的形式在材料内传播。v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材料中所有质点的晶格振动以弹
5、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播，这种存在于晶格中的波叫做格波格波。v 格波是多频率振动的组合波。格波是多频率振动的组合波。声声频支振支振动v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。相差不大，称为声频支振动。v 声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向。声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向。材料结构与性能材料结构与性能Merchant Marine College光光频支振支振动v格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大
6、，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。运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为光频支振动。v 光频支是不同原子相对振动引起的。若晶格中有光频支是不同原子相对振动引起的。若晶格中有N N个分子，每个分子，每个分子中有个分子中有n n个不同的原子，则该晶体中有个不同的原子，则该晶体中有N(n-1)N(n-1)个光频波。个光频波。一一维双原点双原点阵中的格波中的格波(a)声声频支；支；(b)光光频支支材料结构与性能材料结构与性能Merchant Marine College n En=n 210晶格振晶格振动的能量及声子的概念的能量及声子的概念量子理论的回顾材料结构与性能材
7、料结构与性能Merchant Marine College某一质点的能量为：（n为量子数）普朗克常数普朗克常数记为 h，是一个物理常数，用以描述量子大小。在，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，量子力学中占有重要的角色，马克斯克斯普朗克在普朗克在1900年研究物年研究物体体热辐射的射的规律律时发现，只有假定，只有假定电磁波的磁波的发射和吸收不是射和吸收不是连续的，而是一份一份地的，而是一份一份地进行的，行的，计算的算的结果才能和果才能和试验结果是果是相符。相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v为辐射射电磁波的磁波
8、的频率，率，h为一常量，叫一常量，叫为普朗克常数。普朗克常数。普朗克常数普朗克常数的值约为：h=6.626069310-34Js材料结构与性能材料结构与性能Merchant Marine College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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确材料
9、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 热膨胀的工程应用在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热膨胀的物理本质 什么是热膨胀？热膨胀系数 热膨胀的物理本质在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热膨胀系数温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。n 平均线膨胀系数n 微分线膨胀系数n 体膨胀系数ttt1t2各向同性各向异性在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明
10、确部分材料的线性膨胀系数材料名称 l/10-6K-1温度范围AlTiCrFeNiCuWInvar合金6Ni-Fe铸铁黄铜SiAl2O3SiCSi3N4石英玻璃24.99.210.6016.717.117.185.190210.51218.5216.958.84.72.70.530357315311335237533031123693126337315732933732734732935732733732731273273127327312732731273在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确某些无机材料的热膨胀系数与温度之
11、间的关系无机材料的线膨胀系数一般都不大在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确物理本质（作用力曲线解释）原子热振动是原子热振动是非线性非线性 的！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。0K时，原子处在平衡位置。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确物理本质（势能曲线解释）势能曲线是不对称 的！0K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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学
12、习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确材料热膨胀的本质: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。理想状态理想状态实际状态实际状态在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确Al2O3的热容和膨胀系数随温度的变化在整堂课的教学中，刘教师总是让
13、学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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）在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确3、与结构的关系n 对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。n 而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。n 温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系 数的改变。在整堂课的教学中，刘教师总是
14、让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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发生体积收缩 4%在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.与相变的关系一级一级二级二级在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确相变的影响 一级相变
15、：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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确二级相变 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 相相Cu-Au合金合金在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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 Cu Au Au合金固溶体的膨胀系数合金固溶体的膨胀系数020406080100rE/%lC
16、uAu合金膨胀系数在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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力抑制了热膨胀在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.热膨胀的测量u 光学膨胀仪u 电测试膨胀仪u 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光底片标准试样待测试样在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出
17、的问题也很明确热膨胀测试仪（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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确一、技术参数：1.升降温速率：0-50K/min2.测量范围：5005000m3.样品长度：最大50mm样品直径：最大12mm4.L分辨率：0.125nm/1.25nm5.样品支架：石英支架（1100），氧化铝支架（0的温度下近似为常数。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。意义：通过测定电导率来确定金属热导
18、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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确几种物质的导热系数纯铜：398W/(mK)丝绸：0.363W/(mK)棉花：0.0589W/(mK)水：0.6W/(mK)空气：0.026W/(mK)在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题
19、的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确温度的影响n 晶体n 非晶体在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确晶体的导热系数O OT Tn 低温时，随温度升高，l 值上升，其上限为晶粒尺寸大小；n 当温度达到一定值时，随温度 升高，l 值下降，其下限为几个 晶格间距；n 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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确几种材料的1/lT曲线在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，
20、而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确氧化铝单晶的热导率随温度的变化在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确非晶体的导热系数非晶体导热系数曲线n 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。n 中温到较高温度，热容渐变 为常数，故导热系数接近 常数。n 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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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
21、度区间内变化不大。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确几种晶态氧化物及玻璃态二氧化硅的1/lr-T曲线在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确晶体结构的影响u 晶体结构越复杂，导热系数越低 u 多晶体和单晶体的影响不同 u 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，导热系数越小在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确结构复杂程度对导
22、热系数的影响在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确单晶体和多晶体的热导率变化情况在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确化学成分和杂质的影响n 金属材料n 无机非金属材料在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问
23、题也很明确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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确MgO-NiO固溶体的热导率杂质
24、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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确分子量、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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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
25、的材料，随温度升高，热导率降低，而低热导率的材料正好相反；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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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：在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确将下列物质按热导率大小排序，并说明理由：将下列物质按热导率大小排序，并说明理由：（）铬（）银（）（）铬（）银（）Ni-Cr合金合金（）石英（）铁（）石
26、英（）铁在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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，热损失大在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热流仪（德国耐驰公司）n 上下板的温度恒定n 通过样品的温度梯度恒定n 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
27、料学院A306室在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热流仪试样尺寸：30mm30mm厚度：1mm20cm导热系数范围：0.0050.50W/mK应用举例：n微孔绝热材料n乙丙橡胶泡沫n膨胀聚苯乙烯在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入
28、深，所提出的问题也很明确材料的热稳定性 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 梯度功能材料在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热稳定性（抗热震性）：材料承受温度变化而不致破坏的能力。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？在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确在整堂课的教学中，刘教师总是让
29、学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确什么是热稳定性？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200K左右的热冲击。火箭喷嘴：瞬时可承受30004000K温差的热冲击。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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一定温度保温急冷重复操作
30、直到试件失重20%。操作次数操作次数在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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加热过程冷却过程冷却过程压应力压应力张应力张应力负值负值正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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入
31、深，所提出的问题也很明确在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确例如，对平面陶瓷薄板 薄板突然冷却时
32、，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 方向上方向上0在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确抗热冲击断裂性能n 第一热应力抵抗因子 R n 第二热应力抵抗因子 Rn 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
33、数在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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 梯度功能材料在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而
34、问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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 梯度功能材料在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确1987年，日本平井敏雄、新野正
35、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。梯度复合管梯度复合管5.梯度功能材料在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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，梯度材料变化较小摩擦升温后，梯度材料变化较小普通材料则变成兰紫色普通
36、材料则变成兰紫色在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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。材料材料复合材料复合材料梯度材料梯度材料设计思想设计思想材料优点的相互材料优点的相互复合复合特殊功能为目标特殊功能为目标结合方式结合方式化学键化学键/物理键物理键分子间力分子间力/化学键化学键/物物理键理键微观组织微观组织界面处非均质界面处非均质均质均质/非均质非均质宏观组织宏观组织均质均质/突变突变非均质（连续变化）非均质（连续变化）功能功能一致一致 梯度化梯度化梯度功能材料与复合材料比较梯度功能材料与
37、复合材料比较梯度功能材料的原理及特点 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确梯度功能材料主要特征有：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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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
38、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）有梯度在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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
39、也可用于普通飞机的喷气燃烧器。空天飞机空天飞机火箭燃烧室火箭燃烧室航天方面航天方面在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 在在舰舰船船甲甲板板上上可可采采用用含含热热障障的的、抗抗摩摩擦擦或或抗抗冲冲击击的的梯梯度度功功能能材材料料涂涂层层，或或设设计计连连续续增增强强纤纤维维排排列列的的逐逐级级梯梯度度，显显著著提提高高它它们们的的缺缺口口阻阻力力，抑抑制制微微观观裂裂纹纹扩扩张张，大大幅幅改改善善甲甲板板的的抗抗高高应应变变速速率率变变形形和和冲冲击击性性能能，对对舰舰船船的的防防护护及及搭搭载载飞飞行行器器具具有有重要
40、意义。重要意义。航空母舰甲板船舶方面在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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2mm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。柴油机活塞头柴油机活塞头汽油机活塞头汽油机活塞头汽车方面在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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
41、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，解决界面问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。核反应堆核反应堆在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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。燃料电池燃料电池能源方面在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确光学
42、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。梯度折射透镜梯度折射透镜棒透镜棒透镜在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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
43、承受较大变形的钛或Ti-6Al-4V合金。梯度功能材料制成的梯度功能材料制成的人造牙人造牙在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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-玻璃玻璃-钛功能梯度复合材料截面示意图钛功能梯度复合材料截面示意图在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确电子材料方面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
44、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。压电陶瓷器件压电陶瓷器件在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确本章小结n 材料的热容n 材料的热传导 n 材料的膨胀n 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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确热容（比热容）热膨胀系数热导率 定义物理本质影响因素测量方法应用 经典
45、理论 量子理论温度、成分、相变等 差热分析 研究相变作用力曲线势能曲线温度、熔点、相变、成分、各向异性等 热膨胀仪 研究组织转变相变电子热导声子热导光子热导温度、成分、晶体结构、气孔率等导热系数仪 复合材料设计表示热学性能的参数比较表示热学性能的参数比较在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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