- •Строительное материаловедение
- •Лекция1. Строение атома
- •1. Электронное строение атома
- •2. Спектры излучения и поглощения. Главное квантовое число
- •Орбитальное квантовое число. Физический смысл, числовое и буквенное обозначения
- •Магнитное и спиновое квантовые числа
- •Периодический закон и электронное строение атома
- •Периодичность свойств химических элементов
- •3. Атомные радиусы химических элементов
- •4. Энергия ионизации
- •5. Cродство к электрону
- •6. Электроотрицательность
- •Лекция 2. Химическая связь и строение молекул
- •1. Краткая история развития представлений о химической связи
- •2. Квантово-механическое рассмотрение химической связи.
- •2.1. Ковалентная связь
- •Количественные характеристики химической связи
- •Метод валентных связей
- •Метод молекулярных орбиталей (ммо)
- •Сравнение методов валентных связей и молекулярных орбиталей
- •Свойства ковалентной связи
- •Полярность связей и молекул
- •2.2. Ионная связь
- •4. Металлическая связь
- •5. Межмолекулярные взаимодействия
- •6. Водородная связь
- •Лекция 3. Структура материалов
- •1. Основные понятия, термины, определения
- •2. Внутреннее строение матерпалов
- •Микроструктура
- •Кристаллическая структура
- •3.2. Аморфная структура
- •3.3. Аморфно-кристаллическая структура
- •4. Макроструктура
- •4.1. Особенности структуры поверхностного слоя.
- •4.2. Особенности структуры внутреннего слоя.
- •4.3. Основные характеристики макроструктуры
- •Пористость
- •Гигроскопичность
- •Газопроницаемость
- •Паропроницаемость
- •Водопроницаемость
- •Лекция 4. Свойства материалов
- •1. Основные понятия, термины, определения
- •2. Взаимосвязь основных свойств
- •3. Плотность
- •3. Теплофизические свойства
- •3.1. Теплоемкость Основные понятия, термины определения
- •Теплоемкость при нагревании и переходных процессах
- •Химический состав и теплоемкость
- •Агрегатное состояние и теплоемкость
- •Теплоемкость и ее практическое использование
- •3.2. Тепловое расширение Основные понятия, термины, определения
- •Механизм теплового расширения твердых тел
- •Связь “тип химической связи — тепловое расширение”
- •Влияние структуры материала на тепловое расширение
- •3. Теплопроводность Основные понятия, термины, определения
- •Агрегатное состояние вещества и теплопроводность
- •Влияние состава, структуры и параметров состояния на фононную теплопроводность твердого тела (кристалла)
- •Теплопроводность некристаллических тел
- •Теплопроводность гетерогенных систем
- •Плавление материалов Основные понятия, термины, определения
- •Механизм плавления твердого тела
- •Состав и температура плавления
- •Структура твердого тела и температура плавления
- •Взаимосвязь "температура плавления - тепловое расширение "
- •Лекция 5. Деформативные и прочностныесвойства материалов
- •1. Деформативные свойства Основные понятия, термины, определения
- •Упругость
- •Константы упругости
- •Модуль Юнга
- •Пористость и модуль Юнга
- •Термическое расширение и модуль упругости
- •Пластичность
- •Причины и механизм образования пластических деформаций
- •Хрупкость
- •Эластичность
- •2. Прочность
- •Критерии прочности
- •Факторы, влияющие на показатель прочности
- •Общие положения относительно прочности и разрушения материала
- •2. Твердость
- •Факторы, влияющие на твердость материала
- •Способы оценки твердости
- •Лекция 6. Эксплуатационные свойства
- •6.1. Основные понятия, термины, определения
- •6.2. Водостойкость
- •6.3. Морозостойкость Морозостойкость плотных и пористых материалов
- •Механизм разрушения структуры пористых тел при замораживании
- •Факторы, влияющие на морозостойкость
- •6.3. Коррозионная стойкость Основные понятия, термины, определения
- •Виды коррозии строительных материалов
- •Факторы, влияющие на коррозионную стойкость строительных материалов
- •Общие принципы повышения коррозионной стойкости
- •Заключение
Влияние состава, структуры и параметров состояния на фононную теплопроводность твердого тела (кристалла)
Анализируя механизм переноса тепловой энергии в неорганических, неметаллических материалах (кристаллах), заметим, что основными факторами, влияющими на величину теплопроводности, являются:
- теплоемкость
- средняя скорость движения частиц (фононов);
- средняя длина свободного пробега частиц (фононов);
- степень гармоничности (ангармоничности) колебания решетки.
По изменениям этих параметров можно объяснить закономерности влияния состава, структуры, температуры и давления на теплопроводность того или иного тела.
Рассмотрим влияние структуры на теплопроводность кристаллов. Напомним, что структура кристаллов определяется типом химических связей и строением кристаллической решетки. Состав и структура кристаллов тесно взаимосвязаны, поэтому и оказывают совместное влияние на теплопроводность.
Известно, что строение кристаллической решетки и характер ее колебания влияют на степень отклонения гармоничности колебаний.
Ангармоничность обусловливается прежде всего различием атомных масс ионов решетки. Это различие вызывает так называемое рассеяние колебания с уменьшением средней длины пробега частиц. В результате этого теплопроводность уменьшается. Так, у оксидов и карбидов с легкими катионами, атомная масса которых близка соответственно атомной массе кислорода и углерода, теплопроводность оказывается более высокой, чем у оксидов и карбидов с тяжелыми катионами.
Расположение атомов в решетке влияет на образование осей симметрии и, как следствие, на анизотропию кристаллов. Теплопроводность в отличие от теплоемкости является анизотропным свойством; для многих кристаллов ее величина λ почти в 2 раза больше при потоке тепла параллельно оси симметрии, а не перпендикулярно к ней.
У кристаллов с простым строением решетки термическое рассеяние мало, а l велико, поэтому их теплопроводность высокая.
Кристаллы с более сложным строением решетки в общем имеют большее рассеяние тепловых упругих волн, увеличивающее ангармоничность ее колебания и, следовательно, пониженную теплопроводность.
Введение второго компонента в основной кристалл (твердые растворы) вызывает:
- усложнение строения кристаллической решетки;
- образование дополнительных центров рассеяния и, как следствие, уменьшение средней длины свободного пробега частиц.
В результате совместного влияния этих факторов теплопроводность нового соединения оказывается значительно ниже теплопроводностей его составляющих. Например, глинозем (Аl2O3) и периклаз (МgO) имеют примерно равные, но очень высокие значения теплопроводности, порядка 30. . .35 Вт/м.К, в то время как теплопроводность алюмомагнезиальной шпинели (МgO.А12O3) значительно ниже — порядка 13...15 Вт/м.К. Другой пример: глинозем (А12О3) и кремнезем (SiO2) — простые компоненты, а муллит (3 А12О3. 2SiO2) — сложное соединение. В обоих случаях примесные компоненты МgO и SiO2 значительно уменьшают теплопроводность соединения за счет усложнения строения кристаллической решетки и уменьшения средней длины свободного пробега частиц.
Взаимосвязь температура и теплопроводность твердого тела сложна и неоднозначна. Она определяется характеристической “температурой Дебая” (температура Дебая – интервал от 100 до 1000о К), которая устанавливает для каждого вещества температурную границу, выше которой не улавливаются квантовые эффекты, и фононовая теплопроводность теряет физический смысл.
Для большинства обжиговых и плавленых материалов эта температурная граница находится в пределах 100... 1000 К. В таком интервале температур составляющие формулы фононной теплопроводности, удельной теплоемкости и скорости распространения фононов практически остаются неизменными, а средняя длина свободного пробега фононов, с учетом теории теплоемкости, должна быть обратно пропорциональной абсолютной температуре, хотя имеются многочисленные исключения.
Итак, с увеличением температуры кристалла средняя длина свободного пробега частиц сокращается, ангармоничность растет и теплопроводность, уменьшается.
При температурах выше 1500оС теплопроводность огнеупорных оксидов обычно увеличивается, так как составляющая переноса тепла излучением значительно превосходит фононную.
Влияние давления на теплопроводность твердых тел выражается линейной зависимостью. Для многих минералов и металлов теплопроводность растет с увеличением давления.