无机非金属材料的性能

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1、第二章第二章 无机非金属材料的无机非金属材料的性能性能第一节第一节 热学性能热学性能无机非金属材料的性能综述无机非金属材料的性能综述1.传统无机非金属材料的特性传统无机非金属材料的特性（1）优点：具有抗腐蚀、耐高温的优点。）优点：具有抗腐蚀、耐高温的优点。（2）缺点：质脆、经不起热冲击的弱点。）缺点：质脆、经不起热冲击的弱点。 传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比，有许多独特的优势，这使得很多行业的科学家相比，有许多独特的优势，这使得很多行业的科学家都对它情有独钟，然而，它的弱点的存在，又使它的都对它情有独钟，然而，它的弱点的存在，又使它的应

2、用范围受到了一定的限制。为此，科学家们进行深应用范围受到了一定的限制。为此，科学家们进行深入的研究和探索，并进行了反复的实验，随之而来的入的研究和探索，并进行了反复的实验，随之而来的便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的问世。问世。 2. 2.新型无机非金属材料的特性新型无机非金属材料的特性（1）耐高温、强度高。）耐高温、强度高。 氧化铝陶瓷（人造刚玉）氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性主要特性高熔点；高熔点；高硬度；高硬度；可制成透明可制成透明陶瓷；陶瓷；无毒、不溶于水，强度高；无毒、不溶于水，强度高；对人体有较好的适应性对人体有较好的适应性

3、 主要用途主要用途高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等瓣膜、人造关节等 高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼。平均寿命长达下看物清晰，不刺眼。平均寿命长达1万小时万小时2万小时，比高压汞灯万小时，比高压汞灯寿命长寿命长2倍，高过白炽灯的寿命倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命最长的灯。早在倍，是目前寿命最长的灯。早在30年代初，人们就已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源，年代初，人们就

4、已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源，但一直到但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经不断发展改进，才得以年，高压钠灯才呱呱坠地，后经不断发展改进，才得以实际应用。实际应用。 为什么从知道钠蒸气放电为什么从知道钠蒸气放电到高压钠灯的使用经过了二到高压钠灯的使用经过了二十几个年头呢十几个年头呢? 钠蒸气放电会产生超过钠蒸气放电会产生超过1000的高温；钠蒸气有的高温；钠蒸气有强烈的腐蚀作用，所以普通玻璃灯管承受不了钠蒸气强烈的腐蚀作用，所以普通玻璃灯管承受不了钠蒸气放电产生的高温，此时普通玻璃要软化。但氧化铝材放电产生的高温，此时普通玻璃要软化。但氧化铝材料陶瓷能承受高温，又耐腐蚀，

5、透明氧化铝陶瓷的熔料陶瓷能承受高温，又耐腐蚀，透明氧化铝陶瓷的熔点高达点高达2050，能在，能在1600的环境里不受钠蒸气腐的环境里不受钠蒸气腐蚀，因此用氧化铝陶瓷。蚀，因此用氧化铝陶瓷。 材料的热学性能材料的热学性能主要主要包括材料的包括材料的热容热容、热膨胀热膨胀、热传导热传导、热电势和热稳定性等。、热电势和热稳定性等。同学们知道一些应用同学们知道一些应用热学性能的实例吗？热学性能的实例吗？热学性能热学性能热学性能热学性能被子被子声声 子子什么是声子？什么是声子？ 非金属材料非金属材料 自由电子很少自由电子很少 离子晶体（离子构成）离子晶体（离子构成） 共价晶体（原子构成）共价晶体（原子构

6、成）这些质点可以在平衡位置这些质点可以在平衡位置上振动，形成格波，格波上振动，形成格波，格波可以在整个材料中传播。可以在整个材料中传播。声声 子子电磁波电磁波光光 子子晶格原子热振晶格原子热振动波动波声声 子子声声 子子TTTQC)( 固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现 热容：热容：物体温度升高物体温度升高1K所需要增加的热量。所需要增加的热量。 （J/K） 热热 容容恒压热容：恒压热容：加热条件在恒压下进行加热条件在恒压下进行恒容热容：恒容热容：加热条件在恒容下进行加热条件在恒容下进行mTHmTQCppp1)(1)(mTUmT

7、QCvvv1)(1)(热热 容容实际材料中：实际材料中：高温时：高温时： CV为常量为常量3R(杜隆杜隆珀替定律珀替定律) )。低温时：低温时：CV 的实验值并的实验值并不是一个恒量不是一个恒量. . 与与T3成比例，成比例，渐趋于零。渐趋于零。T/K Cv0 常数常数3TC 热热 容容铝挤塞铜制作工艺，将铜材导热速度快和铝材铝挤塞铜制作工艺，将铜材导热速度快和铝材单位质量热容更高的优点结合。单位质量热容更高的优点结合。 你知道生活中材料热容的应用吗？你知道生活中材料热容的应用吗？热热 容容热膨胀：热膨胀： 物体体积或长度随温度升高而增大的现象物体体积或长度随温度升高而增大的现象l线膨胀系数线

8、膨胀系数Tlll0Kl/101065材料：材料：热膨胀热膨胀V体膨胀系数体膨胀系数TVVaV0各向异性的材料：各向异性的材料：各晶轴方向的线膨胀系数不同，各晶轴方向的线膨胀系数不同，假如分别为假如分别为a 、b 、c， 则有则有 各项同性的材料各项同性的材料：cbaVlV3热膨胀热膨胀热膨胀热膨胀原子势能原子势能原子间距关系原子间距关系由于由于原子间作用力是非简谐的，原子间作用力是非简谐的，使得使得原子势能呈非对称。原子势能呈非对称。热膨胀热膨胀 r0是能量的最低处，是能量的最低处，TT, ,质点振动幅度质点振动幅度质点振动能量质点振动能量质点离开平衡质点离开平衡位置位置r r0 0出现两个偏

9、离间距，出现两个偏离间距，最终离开平衡位置的平均最终离开平衡位置的平均距离增加。距离增加。因此：因此： T， 质点距离质点距离 体积体积热膨胀热膨胀如何省力地开如何省力地开启玻璃罐头？启玻璃罐头？热膨胀热膨胀砂锅砂锅热传导热传导t时间内通过时间内通过S截面上的热量为截面上的热量为Q 傅里叶定律： 热流热流q的物理意义：的物理意义：指单位温度梯度下，单位时间内通过指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位单位垂直面积的热量，单位为为J/(m2Sk)或或W/(mK)。dxdTtSQq导热系数导热系数热传导热传导 当存在温度差是，高温端，质点动能增加，和邻当存在温度差是，高温端，质点动

10、能增加，和邻近温度低的质点碰撞程度增加，热量开始传递给近温度低的质点碰撞程度增加，热量开始传递给温度低的质点，依次结果，热量就从高温端传到温度低的质点，依次结果，热量就从高温端传到低温端。低温端。dxdT低温低温高温高温气体材料导热气体材料导热分子间直接碰撞（导热性差），分子间直接碰撞（导热性差），金属材料导热金属材料导热主要是自由电子间碰撞主要是自由电子间碰撞，无机非金属材料导热无机非金属材料导热晶格振动（格波），晶格振动（格波），热辐射热辐射光子（电磁波）光子（电磁波）固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的热传导机制相应的分

11、为三种热传导机制相应的分为三种(二二) 声子热导声子热导(三三) 光子热导光子热导(一一) 电子热导电子热导 无机非金属材料，无机非金属材料，自由电子很少自由电子很少。主要通过。主要通过质点振动形成质点振动形成格波格波，格波在材料中传播，来，格波在材料中传播，来导热。导热。热传导热传导声子：声子：质点热振动能量是量子化的，质点热振动能量是量子化的，声频波的间隔能级声频波的间隔能级hv, , hv是这种量子化弹性波的最是这种量子化弹性波的最小单位，称为量子或声子。小单位，称为量子或声子。声子能量声子能量: hv值大小值大小hvnEn)21( 声子数：声子数：忽略零点能忽略零点能1/2hv，hvE