【正文】 SiC體積分?jǐn)?shù)的變化 由材料的復(fù)合提高耐熱沖擊性 ? 還有降低彈性模量的方法。而且 ZrO 2顆粒的加入可以使斷裂韌性提高，因此不僅使耐熱沖擊斷裂性增大，而且也使耐熱沖擊損傷性增大。這是由于當(dāng)有溫差時(shí)液體與氣體會(huì)產(chǎn)生對(duì)流現(xiàn)象 。還有關(guān)于瀝青系的碳纖維等具有高的熱傳導(dǎo)性的材料的報(bào)道。 可以用熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度梯度來(lái)表示。實(shí)際上，上式是表示熱傳導(dǎo)系數(shù)的下限值。所以，鋁合金對(duì)于熱變形的抗力，加入碳化硅時(shí)能夠得到改善，而加入氮化硼時(shí)的效果較小。 ? 原因： ? 熱流線收縮至局部接觸處；界面間隙處的熱輻射等。是沿著等溫面法線方向的矢量。 金屬的導(dǎo)熱系數(shù) 金屬是良好的導(dǎo)體，常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)為 ~420 W/ m ? 而合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)則相反，一般是隨溫度的升高而增大。 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 單層平壁 雙層平壁 復(fù)合壁導(dǎo)熱 實(shí)例 ? 爐渣混凝土砌塊，結(jié)構(gòu)尺寸如圖。 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù) ? 1. 各相分布形態(tài)的影響 材料 銅 SiC 銅 / SiC復(fù)合材料 并聯(lián) 串聯(lián) 導(dǎo)熱系數(shù) 400 100 250 170 材料 銅 金剛石 銅 / SiC復(fù)合材料 并聯(lián) 串聯(lián) 導(dǎo)熱系數(shù) 400 2021 1200 777 導(dǎo)熱系數(shù) 400 1000 700 571 界面熱阻 材料 鋁 SiC 界面比例 （ %） 鋁 / SiC復(fù)合材料 并聯(lián) 串聯(lián) 導(dǎo)熱系數(shù) 200 90 0 145 124 140 110 1 140 70 10 132 10 電子導(dǎo)熱材料與聲子導(dǎo)熱材料之間的熱傳導(dǎo)的阻力？ ?熱，本質(zhì)上是微觀粒子的振動(dòng)。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與界面層的厚度及導(dǎo)熱性能成反比。這在工程上是不希望的。 長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的軸應(yīng)力蠕變 ? ?0 1fmfE f E?? ???ffE??? ?? ?? ? ? ?1/111nnnfmAddt fEffE? ? ?? ????????????← 在基體的彈性范圍內(nèi) ← 完全由 纖維承擔(dān) 橫向蠕變與連續(xù)強(qiáng)化復(fù)合材料 ? 聚酯 /50%玻璃纖維強(qiáng)化復(fù)合材料受到橫向載荷時(shí)纖維與基體的應(yīng)力比隨纖維長(zhǎng)徑比的變化 蠕變特性對(duì)纖維的長(zhǎng)徑比十分敏感 ? Al合金 /SiC顆粒及晶須復(fù)合材料中 561K定常蠕變狀態(tài)下最小蠕變速度與負(fù)荷應(yīng)力的關(guān)系 伴隨溫度變化的蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系：（ a） Al/10% Al2O3短纖維復(fù)合材料；（ b） Al/10%Saffil復(fù)合材料 界面的重要作用 ? 在高溫，較小的應(yīng)力下會(huì)產(chǎn)生界面開(kāi)口，所以在纖維的徑向產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。另一方面， SiC及碳纖維，由于其微小結(jié)構(gòu)的特性，即使是超過(guò) 1200K也能表現(xiàn)出優(yōu)異的蠕變特性。 蠕變 基體與纖維的行為 ? 材料在長(zhǎng)時(shí)間受到一定載荷時(shí)的變形作為蠕變行為而處置。 ? 基于 HasselmanJohnson模型提出適合描述具有非完美界面復(fù)合材料熱導(dǎo)率的簡(jiǎn)易模型，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合的較好。m/W ? 導(dǎo)熱系數(shù) =1/熱阻率 = W/ K 氣體的導(dǎo)熱系數(shù) ? 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，一般為 ~ W/ m主要是由于阻礙了自由電子的擴(kuò)散。K = W/ m 對(duì)于平壁 Q=（ λ/S ） Δt F ?Q：通過(guò)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(chǎng)：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)。但是，實(shí)際上，無(wú)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。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。 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。關(guān)于長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)，可以適用板層模型。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。 ? 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(guò)程。 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。 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 。 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 ） 。 由該式求得的 lf與ΔT的關(guān)系為圖中的虛線 。這樣的在隨著裂紋長(zhǎng)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。 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 。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(lái)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 。m a x?β的值大，表示由外部傳來(lái)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。 ? ? *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(guò)各向同性板時(shí)引起的熱沖擊行為 。 （ 1） 能夠進(jìn)行定量分析處理的 ， 僅是極端簡(jiǎn)化的特殊情況 。 熱沖擊 ? 要解決熱沖擊問(wèn)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 。 T≈力的影響。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(wèn)題。圖中值得注意的還有強(qiáng)化體纖維的體積分?jǐn)?shù) Vf。 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(cè)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。例如在長(zhǎng)度的測(cè)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）。其精確的解析式十分復(fù)雜。這是由于空隙的剛性為 0。 對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行分析求解 ?考慮無(wú)限大的基體中僅在一個(gè)球形強(qiáng)化體的情況。 該應(yīng)力與溫度差大體成正比 熱應(yīng)力產(chǎn)生的因素 ? 組成復(fù)合材料的異相間熱膨脹系數(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(guò)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(lái)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(chǎng)所可能會(huì)使裂紋擴(kuò)展，甚至材料破壞。 ? 受到負(fù)荷的基體是溫度敏感性的材料； ? 構(gòu)成復(fù)合材料各相之間的熱膨脹系數(shù)不同引起內(nèi)應(yīng)力的發(fā)生。內(nèi)部會(huì)周?chē)鷾囟鹊淖兓l(fā)生高的熱應(yīng)力。下標(biāo) P、 m分別表示顆粒與基體。對(duì)于長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的軸向性能是適用的。所以由于纖維的存在，即使是低的體積分?jǐn)?shù)，也可能對(duì)熱膨脹系數(shù)有大的影響。此時(shí)基體開(kāi)始塑性流動(dòng) ， 沿著屈服應(yīng)力線圖到達(dá) C點(diǎn) 。應(yīng)力由大到小的順序?yàn)椋?σ11（ σrr） σ22（ σθθ） σ33（ σzz）。基體與纖維的熱膨脹系數(shù)分別為 αm與 αf 熱應(yīng)力與強(qiáng)度、韌性 ? 一般來(lái)說(shuō)基體的拉伸斷裂應(yīng)變小于纖維的拉伸斷裂應(yīng)變，所以在考慮纖維軸向的拉伸強(qiáng)度時(shí)，希望 αmαf，以使基體內(nèi)法線應(yīng)力σz0。 熱應(yīng)力與強(qiáng)度、韌性 圓柱模型的計(jì)算結(jié)果 ? 式中 υf與 υm分別為纖維與基體的泊松比。 Tm?Tm?Tm?? ? ? ? 333/1 /?????? ???????? TffufTmif VVT ?????im? 熱沖擊 ? 急劇的溫度變化可使物體內(nèi)發(fā)生大的溫度梯度 。 在選定材料時(shí) ， 利用該參數(shù)的最優(yōu)化進(jìn)行選擇 ，再由實(shí)驗(yàn)定量地確定耐熱沖擊損傷性的值（ 強(qiáng)度低下值 ） 。 （ 2） 解析是以均質(zhì) 、 各向同性的材料為出發(fā)點(diǎn) 。39。 所以 R可以作為在這種場(chǎng)合下表示 ， 耐熱沖擊斷裂性的尺度 。 例如在急冷的情況下 ， 表面材料的