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材料熱學(xué)性能分析

嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2017-07-07 15:33

1、什么是材料熱學(xué)性能

材料及其制品都是在一定溫度環(huán)境下使用的，在使用過(guò)程中，將對(duì)不同的溫度做出反應(yīng)，表現(xiàn)出不同的熱物理性能，即為材料的熱學(xué)性能。材料的熱學(xué)性能主要包括熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性等。

2、材料熱分析的目的和意義

熱學(xué)性能是材料的重要性質(zhì)之一，是保證材料應(yīng)用的先決條件。

材料的熱分析則是研究樣品性質(zhì)與溫度間關(guān)系的一類技術(shù)。熱分析可應(yīng)用于成分分析（如：無(wú)機(jī)物、有機(jī)物和高聚物的鑒別和分析以及它們的相圖研究），穩(wěn)定性測(cè)定（如：物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、抗氧化性能的測(cè)定等），化學(xué)反應(yīng)的研究（如：固-氣反應(yīng)研究、催化性能測(cè)定、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究、反應(yīng)熱測(cè)定、相變和結(jié)晶過(guò)程研究），材料質(zhì)量測(cè)定（如：純度測(cè)定、物質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變和居里點(diǎn)、材料的使用壽命測(cè)定）以及環(huán)境監(jiān)測(cè)（研究蒸汽壓、沸點(diǎn)、易燃性等）。

3、熱學(xué)性能常見(jiàn)指標(biāo)

1）熱容

熱容是使材料溫度升高1k所需的能量，它反映材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力。不同溫度下，熱容不同。熱容與物質(zhì)的量和熱過(guò)程有關(guān)。

2）熱膨脹

物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。熱膨脹系數(shù)在材料中是個(gè)重要的性能參數(shù)。在多晶、多相材料以及復(fù)合材料中，由于各相及各個(gè)方向的線性膨脹系數(shù)值（α值）不同所引起的熱應(yīng)力問(wèn)題已成為選材、用材的突出矛盾。材料的熱膨脹系數(shù)大小直接與熱穩(wěn)定性有關(guān)。固體材料的α值并不是一個(gè)常數(shù)，而隨溫度變化，通常隨溫度升高而加大。

常見(jiàn)影響因素：晶體的各向異性、晶體的密度和缺陷、合金成分、復(fù)相材料、相變、鐵磁性金屬的反常膨脹。

線（體）膨脹系數(shù)：溫度升高1K時(shí)，物體的長(zhǎng)度（體積）增加率。

3）熱傳導(dǎo)

當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時(shí)，熱量會(huì)從熱端自動(dòng)的傳向冷端的現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。在超大規(guī)模集成電路（容量和密集度迅速增大）中，要求集成塊的基底材料導(dǎo)熱性能優(yōu)良。關(guān)鍵是尋找出既能絕緣，又具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料。彩電等多種電路中廣泛應(yīng)用的大功率管，其底部的有機(jī)絕緣片，為了散熱而要求具有良好的熱導(dǎo)性。

影響金屬熱導(dǎo)率的因素：溫度、晶粒大小、晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)等；

影響無(wú)機(jī)非金屬熱導(dǎo)率的因素：溫度、化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)、氣孔等；

影響高分子材料熱導(dǎo)率的因素：溫度、填料種類、結(jié)晶度和分子鏈取向、密度、濕度等。

4）熱穩(wěn)定性

材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力。

熱應(yīng)力：由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力。

提高熱穩(wěn)定性的措施：提高應(yīng)力強(qiáng)度σ，減小彈性模量E；提高材料的熱導(dǎo)率；減小材料的膨脹系數(shù)；減少材料表面熱傳遞系數(shù)；減小產(chǎn)品的有效厚度。

4、熱學(xué)性能分析的方法

常用熱分析方法有：差示掃描量熱法（DSC）、熱重分析法（TGA）、熱機(jī)械分析法（TMA）以及穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法等。

1）差示掃描量熱法是在程序溫度控制下測(cè)量物質(zhì)與參比物之間單位時(shí)間的能量差（或功率差）隨溫度或時(shí)間變化，對(duì)應(yīng)的儀器為差示掃描量熱儀。測(cè)量方法分類：功率補(bǔ)償式差示掃描量熱法和熱流式差示掃描量熱法。典型的DSC曲線以熱流率（dH/dt）為縱坐標(biāo)、以時(shí)間（t）或溫度（T）為橫　坐標(biāo)，即dH/dt-t（或T）曲線。曲線離開(kāi)基線的位移即代表樣品吸熱或放熱的速率（mJ·s-1），而曲線中峰或谷包圍的面積即代表熱量的變化。

應(yīng)用：能定量測(cè)定多種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如比熱、反應(yīng)熱、轉(zhuǎn)變熱、反應(yīng)速度和高聚物結(jié)晶等。

2）熱重分析法是指在程序控溫與一定氣氛下，測(cè)量試樣的質(zhì)量與溫度或時(shí)間的關(guān)系，對(duì)應(yīng)的儀器為熱重分析儀。熱重分析儀由天平、加熱爐、程序控溫系統(tǒng)與記錄儀等幾部分組成。熱失重的特點(diǎn)是定量性強(qiáng)，能準(zhǔn)確地測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率。

應(yīng)用：熔點(diǎn)、沸點(diǎn)測(cè)定，熱分解反應(yīng)過(guò)程分析和脫水量測(cè)定，生成揮發(fā)性物質(zhì)的固相反應(yīng)分析，固體和氣體反應(yīng)分析等。

3）熱機(jī)械分析法是在設(shè)定的氣氛條件下，測(cè)量物質(zhì)在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)荷作用下，力學(xué)量（如尺寸、模量等）隨溫度或時(shí)間的變化，對(duì)應(yīng)的儀器為熱機(jī)械分析儀。測(cè)量方法分類：靜態(tài)熱機(jī)械分析法和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法。熱機(jī)械分析儀按機(jī)械結(jié)構(gòu)形式不同分為天平式和直筒式。

應(yīng)用：膨脹系數(shù)、體積變化、相轉(zhuǎn)變溫度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系測(cè)定、重結(jié)晶效應(yīng)分析等。

4）熱傳導(dǎo)性能中材料的導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）測(cè)試，可分為穩(wěn)態(tài)測(cè)試和非穩(wěn)態(tài)測(cè)試。

穩(wěn)態(tài)法是指當(dāng)待測(cè)試樣上溫度分布達(dá)到穩(wěn)定后，即試樣內(nèi)溫度分布是不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定的溫度場(chǎng)時(shí)，通過(guò)測(cè)定流過(guò)試樣的熱量和溫度梯度等參數(shù)來(lái)計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù)的方法，常見(jiàn)有平板法和熱流計(jì)法，主要適用于測(cè)量中低導(dǎo)熱系數(shù)材料。

非穩(wěn)態(tài)法則是物體的溫度隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程，根據(jù)溫度和時(shí)間的變化關(guān)系確定導(dǎo)熱系數(shù)，常見(jiàn)有瞬態(tài)熱線法、瞬態(tài)平面熱源法、探針?lè)ā⒓す忾W射法和3 ω法等，主要適用于測(cè)量中高導(dǎo)熱系數(shù)材料。

來(lái)源：AnyTesting

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