【正文】 間熱膨脹系數(shù)差異 ? 高溫制備后冷卻到室溫材料內(nèi)部殘留有應(yīng)力 ? 服役過程中外界溫度的變化 熱沖擊 ? 當(dāng)溫度急劇變化時(shí)，物體的外部溫度很快變化，而內(nèi)部尚未來得及變化，這樣由于內(nèi)外熱膨脹的差異所產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力 ? 受到因溫度急劇變化而引起的熱沖擊時(shí)，在形成拉應(yīng)力的場所可能會(huì)使裂紋擴(kuò)展，甚至材料破壞。 ? 基體冷卻過程中發(fā)生大的收縮，也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行分析求解 ?考慮無限大的基體中僅在一個(gè)球形強(qiáng)化體的情況。 （ a） SiC/Ti復(fù)合材料經(jīng) 500K冷卻后的彈性應(yīng)力狀態(tài)；（ b）假定基體的屈服強(qiáng)度為 100MPa時(shí)塑性流動(dòng)后的應(yīng)力狀態(tài)（無加工硬化） 熱膨脹 ? 伴隨溫度變化的應(yīng)力分析，是通過材料的熱膨脹系數(shù)而進(jìn)行的。這是由于空隙的剛性為 0。但是， 由于未考慮泊松比，所以其結(jié)果還是不夠嚴(yán)密的。其精確的解析式十分復(fù)雜。 定向強(qiáng)化材料的熱膨脹 ? 復(fù)合材料的溫度變化時(shí)， 材料內(nèi)部產(chǎn)生大的應(yīng)力。例如在長度的測量中，復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)了伴隨著熱應(yīng)力的滯后現(xiàn)象（加熱狀態(tài)與冷卻狀態(tài)下其變形不同）。 而且 ，在冷卻過程中 ， 基體的應(yīng)力又變?yōu)槔鞈?yīng)力 。 由熱循環(huán)的晶格應(yīng)變的中子衍射法，對(duì) Al基體中配列 5%SiC晶須的復(fù)合材料的測定結(jié)果：（ a）強(qiáng)化相；（ b）基體 ．由均勻的溫度差所引起的熱應(yīng)力 顆粒分散強(qiáng)化復(fù)合材料 σ r、 σθ：球的半徑方向與周向的法線應(yīng)力 E、 a、 v：材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)與泊松比 下標(biāo) p與 m：分別表示強(qiáng)化體顆粒與基體 3????????rr Pr ??32???????rr P???? ?ffmmfmEET?????2121 ??????由均勻的溫度差所引起的熱應(yīng)力 Al2O3顆粒強(qiáng)化玻璃復(fù)合材料的熱應(yīng)力 σij。 放射方向應(yīng)力 σrr與半徑方向應(yīng)力 σθθ隨角度 ψ的變化 殘余應(yīng)力隨長徑比的變化 (a)SiC短纖維強(qiáng)化 Al2O3,Vf= (b) SiC短纖維強(qiáng)化堇青石， Vf= SiC晶須強(qiáng)化 Al2O3復(fù)合材料中平均殘留應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值 求得的求得的殘余應(yīng)力。圖中值得注意的還有強(qiáng)化體纖維的體積分?jǐn)?shù) Vf。另一方面，橫向強(qiáng)度依存于纖維與基體的界面強(qiáng)度，所以在 αmαf, 界面發(fā)生張應(yīng)力的情況下，橫向強(qiáng)度減小。如果纖維具有很大的各向異性，則可能不會(huì)出現(xiàn)這樣的問題。 λ、 λ2與 Ω是由下式所定義的常數(shù)。 T≈力的影響。 形成應(yīng)力狀態(tài) 。 熱沖擊 ? 要解決熱沖擊問題 ， 需要求解非穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方程與彈性體的平衡方程所組成的方程組 。 熱沖擊 這樣的分析可以分為兩大類 。 （ 1） 能夠進(jìn)行定量分析處理的 ， 僅是極端簡化的特殊情況 。 適合于復(fù)合材料時(shí) ， 必須把握這些復(fù)合材料的特殊性 。 ? ? *11 ?????? TETTEcccmccc ?????? 非穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力分析 最容易考慮的是一維非穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力通過各向同性板時(shí)引起的熱沖擊行為 。 , ???????? tctth ccccc???式中 κc：導(dǎo)熱率 h：傳熱系數(shù)（表面熱轉(zhuǎn)移系數(shù)） λc：溫度導(dǎo)溫系數(shù) cc：比熱。m a x?β的值大，表示由外部傳來的熱量向物體內(nèi)部擴(kuò)散困難，反之， β的值小，則意味著這樣的擴(kuò)散容易。 另一方面 ， 熱沖擊非常緩和時(shí) ， 取 β→ 0， 得到 ? ?hET ccccucc ????? ???? ? ? 39。以上討論了 β的兩種極端的情況，對(duì)于一般情況，可以用 R與 R’來估計(jì)材料抗熱沖擊臨界溫度， 斷裂力學(xué)的方法 ? 對(duì)脆性材料的裂紋進(jìn)展加以討論 。 特別是受到熱沖擊的物體比較大時(shí) ， 溫度的變化僅僅影響到表層附近很少的部分 。 由熱沖擊引起物體內(nèi)發(fā)生的單位體積的能量 W由彈性應(yīng)變能與裂紋的表面能組成 ， 它可用下式表示 。圖中的點(diǎn)畫線是考慮 ΔT為一定時(shí)的行為。這樣的在隨著裂紋長度增加時(shí)，裂紋在經(jīng)歷了不穩(wěn)定階段后又趨于穩(wěn)定的特征，是熱沖擊中所特有的，與材料在受到一定載荷時(shí)裂紋的行為不同。 ? ?? ?? ?? ?? ?? ? ? ?202132130222219116121911612123 llNGNlNlETtcICctccccccc ??????????????????????????????????????????????? ? ? ?? ? 2/10218/213 Nll ccf ?? ??? 在裂紋不穩(wěn)定區(qū)域 ， 由于釋放了裂紋擴(kuò)展部分表面能以上的能量 ， 其余的能量就成為運(yùn)動(dòng)能 。 由該式求得的 lf與ΔT的關(guān)系為圖中的虛線 。 然而對(duì)于強(qiáng)度的分析 ， 尚未達(dá)到定量的水平階段 。 殘留強(qiáng)度 在該狀態(tài)下 ， 即使溫度差進(jìn)一步增加到 d點(diǎn) ， 裂紋也不再發(fā)生擴(kuò)展 ， 強(qiáng)度也不發(fā)生下降 （ c→d ） 。所以要使材料的耐熱沖擊斷裂性與耐熱沖擊損傷性同時(shí)提高，往往是是矛盾的。 Κ c隨 SiC體積分?jǐn)?shù)的增加而增大 ， 而 α c則隨 SiC體積分?jǐn)?shù)的增加而減小 。 BN具有小的 α c、 Ec，高的 κc，因此對(duì)于提高耐熱沖擊斷裂性是有效的。 由材料的復(fù)合提高耐熱沖擊性 ? ZrO2顆粒的分散也能有效地提高耐熱沖擊性。 熱傳導(dǎo) ? 通過得到優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性，能夠改善材料的熱沖擊性，使材料的性能提高。 ? 應(yīng)用的廣泛性 導(dǎo) 熱 ? 導(dǎo)熱（又稱為熱傳導(dǎo)）是指物體內(nèi)部溫度不均勻或溫度不同的物體相互接觸時(shí)，由于物體內(nèi)部的微觀粒子、分子或原子直接交換能量，而實(shí)現(xiàn)從高溫向低溫的熱能轉(zhuǎn)移過程。這兩種介質(zhì)是由能量交換的沖突而產(chǎn)生。聲子的平均自由程與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，受結(jié)構(gòu)完整性與粒子尺寸很大的影響。但是，這樣的形狀會(huì)受到原子的存在及電子的分散等因素的影響而下降。關(guān)于長纖維復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)，可以適用板層模型。 這樣的表示對(duì)軸向的熱傳導(dǎo)是十分適用的。 這樣所得到的橫向的 熱傳導(dǎo)系數(shù)，與力學(xué)性能中橫向的彈性模量的形式類似。例如在預(yù)測包含絕熱纖維的復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)時(shí)，即使是纖維的含有量很低，其熱傳導(dǎo)系數(shù)也會(huì)為 0。圖中陰影部分表示 Al/SiC與Al/BN復(fù)合材料中 K與 α 組合的期待值。但是，實(shí)際上在界面附近存在有由孔隙及裂紋構(gòu)成的界面層，所以使其熱特性下降。但是，實(shí)際上，無論兩個(gè)面接合多么緊密，由于表面的不平，在接觸面上只有點(diǎn)接觸。K/W 接觸壓力100kN/m2 接觸壓力10000kN/m2 不銹鋼 銅 鎂 鉛 7~25 1~10 ~ ~ ~ ~ ~ ~ 長纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的橫向熱傳導(dǎo)系數(shù) 1111f f f fmmcmf f f fmmK K K KfK rh K rhKKK K K KfK rh K rh????? ? ? ? ??????????????? ? ? ? ?????????Ti7Al4V/30%SiC長纖維復(fù)合材料中，伴隨與纖維垂直方向上的熱流引起的溫度變化的熱傳導(dǎo)系數(shù)的比 強(qiáng)化相為球形顆粒，且其體積分?jǐn)?shù) f 較小 2 1 2 21 2 2p p p pmmcmp p p pmmK K K KfK rh K rhKKK K K KfK rh K rh????? ? ? ? ??????????????? ? ? ? ?????????兩種顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)比隨溫度的變化。 對(duì)于平壁 Q=（ λ/S ） Δt F ?Q：通過的熱量 ?λ ：導(dǎo)熱系數(shù) ?Δt ：壁兩側(cè)的溫差 ?S：壁厚 ?F：平壁表面 導(dǎo)熱與導(dǎo)電的比較 原因 阻力 機(jī)理 速度 導(dǎo)熱 溫度差 熱阻 電子、 聲子 慢 導(dǎo)電 電位差 電阻 電子、離子 快 基本概念 ?溫度場：在某一瞬間物體內(nèi)部所有各點(diǎn)的溫度分布，一般是時(shí)間和空間的函數(shù)。 ? Q=―λgrad t F ? 對(duì)于單位面積 ? q=Q/ F =―λgrad t F/ F=―λgrad t ? λ 為導(dǎo)熱系數(shù)。K = W/ m 材料 銀 銅 金 鋁 合金鋼 導(dǎo)熱系數(shù) W/ m主要是由于阻礙了自由電子的擴(kuò)散。 耐火材料、建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù) 耐火材料、建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 ~ W/ m 氣體的導(dǎo)熱系數(shù) ? 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，一般為 ~ W/ mK，空心部分的導(dǎo)熱系數(shù)為 λ2= W/ mm/W ? 導(dǎo)熱系數(shù) =1/熱阻率 = W/ K 高導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能中的界面