热学行为

热学行为（精选7篇）

热学行为 篇1

聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶性耐高温芳香族热塑性树脂,由于其具有耐温、耐腐蚀、耐辐射以及优异的机械性能,已经在航空航天工业、原子能工业、武器装备、高尖端技术以及医疗、机械、电力、汽车、涂料中得到广泛的应用[1,2,3,4,5]。

目前工业化主要采取的合成路线是以二氟二苯甲酮与对苯二酚在碱金属盐的存在下,以二苯砜为溶剂即非质子极性溶剂中,在280~340℃下进行缩聚反应获得高分子量的聚醚醚酮[6]。作为结晶性聚合物,其许多性能依赖于其热学行为和结晶行为,因此,本研究在合成高分子量的聚醚醚酮基础上,研究其分子量对结晶行为和热学行为的影响。

1 实验部分

1.1 原料

对苯二酚,国药集团化学试剂有限公司,分析纯,常温时,在N2保护下,用丙酮重结晶,并于真空60℃下干燥;4,4’-二氟二苯甲酮,常州花山化工有限公司,分析纯,用甲醇对4,4’-二氟二苯甲酮(DFBP)重结晶,并于真空65℃下干燥;无水碳酸钾,国药集团化学试剂有限公司,分析纯,使用前于真空下100℃干燥;无水碳酸钠,国药集团化学试剂有限公司,分析纯,使用前于真空下100℃干燥;二苯砜,南京盛启化工有限公司,工业品,纯度98%,使用前将其置于大烧杯中用丙酮在酒精灯加热条件下重结晶,并于真空60℃下干燥;甲醇,国药集团化学试剂有限公司,分析纯;丙酮,上海化学试剂公司,分析纯。

1.2 测试仪器和方法

特性黏度[η]在25℃下采用乌氏黏度计测定(0.25g样品溶入25mL浓硫酸);采用美国Peakin Elmer公司生产的PARAGON 10001型红外光谱分析仪进行分析;采用美国Peakin Elmer公司生产的DSC-6型差示扫描量热仪进行分析,测试过程中使用N2保护,温度范围设定为50~380℃,升温速率为10℃/min;采用日本理学电机公司生产的D/max-γB型X射线多晶体衍射仪进行分析,扫描速度为6.00°/min,扫描范围为5°~90°;取少量样品在相同的条件下熔融制膜,然后置于40倍的物镜下拍照,观察样品的结晶形貌;采用美国Perkin Elmer TGA6型热重分析仪上进行分析,温度范围为0~900℃,升温速率为20℃/min;

1.3 PEEK的合成

将117.46g的二氟二苯甲酮、59.27g对苯二酚、323.27g二苯砜依次加入反应烧瓶中,搅拌,通N2 15min,开始加热,升温至180℃,再加入无水碳酸钠55.49g、无水碳酸钾3.72g,保温2h;升温至250℃,保温1h;升温至320℃,保温4.5h,于0.5、1.5、2.5、3.5、4.5h分别取样,待取出的样品冷却,研磨得到固体反应产物,用丙酮、水、甲醇反复洗涤,除去溶剂二苯砜和无机盐,最后在120℃下真空干燥聚合物,得到白色粉末状固体,分别记为A0.5、A1.5、A2.5、A3.5、A4.5。

PEEK合成反应方程式:

2 结果与讨论

2.1 PEEK的FT-IR分析

A4.5的PEEK的红外图谱如图1所示,其中,1653.62cm-1 为C = O 伸缩的振动谱带,1600.96cm-1和1489.88cm-1为R-O-R苯环的平面内振动谱带,1310.50cm-1 为R-CO-R苯环的平面内振动谱带,1223.62cm-1 为芳香族R-O-R的不对称伸缩振动谱带,1185.41cm-1、1158.83cm-1、1113.05cm-1、1010.27cm-1为芳醚或芳酮结构中苯环的C-H平面内弯曲振动吸收谱带,926.96cm-1为R-CO-R的对称伸缩振动谱带,836.76cm-1、766.86cm-1为苯环的C-H平面外弯曲振动吸收谱带,且836.76cm-1 为芳环对位取代的特征峰,符合PEEK的标准图谱。

2.2 特性黏度

图2为特性黏度[η]与分子量M与反应时间的关系。由图2可知,320℃时,反应时间从0到3.5h递增,特性黏度[η]也增大;当反应时间达到3.5h以上时,[η]变化不明显,并趋向于一极限值。由马克-豪温(Mark-Houwink)经验公式:[η]=KMα,可知分子量M=([η]/K)1/α,其中K通常情况下视为常数,因此可得出,PEEK的分子量的变化趋势与[η]基本相同。对大部分线性柔性高聚物来说,α值一般在0.5到0.8之间[7]。分别取α值为0.5和0.8两个极限值,得到PEEK分子量随反应时间的趋势图,反应时间在0到3.5h之间,M增大较快,当反应时间大于3.5h时,M增大趋势平缓。

2.3 PEEK的XRD分析

图3是320℃时,A0.5、A1.5、A2.5、A3.5、A4.5的PEEK的XRD谱图,此图与相关文献[8]衍射峰形状及衍射峰位置基本一致,由图可得,PEEK属于正交晶系,Pbcn空间群,具有4个结晶峰,2θ分别为18.76°、20.62°、22.90°和28.80°,由晶面间距d=λx-ray/2sinθ计算可知,其面间距分别为0.472nm、0.430nm、0.388nm和0.310nm。可以看出,随着分子量的增加,PEEK的晶片厚度降低。

2.4 PEEK的DSC分析

表1和表2分别为不同反应时间制得的PEEK的熔融温度和结晶度。从表2可明显看出5个样品的熔融温度(Tm)均在340℃以上,初始熔融温度(Tm0)均在300℃以上。图4为Tm对反应时间的作图,从中可以明显地看到Tm随特性黏数的增加呈先增后减的变化趋势,变化范围在10℃以内。虽然样品在320℃时反应时间不同,但是它们具有相同的分子链结构(),因此链段的规整性相同,理论上分子链段折叠的难易程度也差别不大。从而可以推断,图4中Tm在小范围的变化趋势主要是由分子量的不同造成的。在相同的温度下,当分子量较大时,黏度较大,限制了PEEK链的活动性,阻碍了链段向结晶扩散,使晶体生长受阻。因此,随着分子量的升高,晶体的生长难度增加,不易形成晶片厚度较大和较完善的晶体,进而使单位体积内的结晶物质具有较高的表面能。这一推论与本方法X射线衍射分析(XRD)与光学显微镜分析中的结果相符。由Lauritzen J I与Hoffman D.导出的熔点Tm与晶片厚度L的关系:Tm=Tm0(1-2σe/L△h)[9]可知,晶片厚度L越小,熔点Tm越低。因此,Tm在320℃的反应时间从1.5h到4.5h的范围内,随着分子量的升高而呈递减趋势。 其中,A3.5与A4.5的PEEK熔点基本相同,分别为341℃、340℃,这是因为它们的分子量相近,[η]分别为1.275和1.325。而A0.5的PEEK,分子量过小,分子链较短,尽管容易形成完善的结晶,但是不易形成较大的晶片厚度,从而使Tm有所降低。因此,PEEK的熔点随反应时间的增加呈先增后减的变化趋势,A1.5的PEEK熔点最高,达到348℃。

Tm—熔融温度,Tm0—初始熔融温度

表2中列出了利用DSC谱图计算的PEEK的相对结晶度(Xc=(△H/△Hm0)×100%)[10],其中PEEK的△Hm0=130J/g。图5是相对结晶度随反应时间的变化图,从中可以看到结晶度的变化不大,Xc在40%~48%的区间范围内。由此得出,320℃时,0.5~4.5h反应时间内制得的PEEK在相同的合成工艺和冷却条件下,结晶度变化不大。

2.5 偏光显微镜分析

为了更加直接、形象地表示出样品的结晶情况,用偏光显微镜对A0.5、A1.5、A2.5、A3.5、A4.5的PEEK样品拍照,其结晶形貌见图6。

如图6所示,PEEK的结晶为球晶,由径向发射生长的纤维组成,这些纤维就是长条状的晶片。不难看出,A0.5的PEEK结晶的完善程度最高,球晶半径最大,随着反应时间的增大,球晶半径逐渐减小,结晶的完善程度也随之降低。A3.5和A4.5的PEEK球晶半径大小和结晶完善程度相似。这一结果与DSC分析和XRD分析的结果相同,即随着分子量的增大,体系黏度增大,分子链运动困难,妨碍了链段向结晶扩散,使晶体生长受阻。因此,随着分子量的升高,晶体的生长难度增加,结晶完善程度和球晶半径均降低。而A3.5与A4.5的PEEK的分子量相近,在相同的结晶条件下,它们的结晶行为相近。

2.6 PEEK的TG分析

热失重结果见图7和图8,分析结果如表3所示,从中不难看出,在N2气氛下,PEEK具有较高的初始分解温度与最大分解速率温度,半分解温度T1/2达到782.744℃,并且当温度达到900℃时,其残余物含量仍大于40%,说明所制得的PEEK具有较高的热稳定性。

通常,高分子热稳定性的大小,与组成高分子化学键的键能、高分子链中邻近基团的性质、高分子的几何形状等都有关系。首先,主链中共轭双键或芳香环大π键能够加大主链的热稳定性。由于PEEK的链段结构中含有苯环与羰基之间的大π键共轭,大大提高了主链的热稳定性。其次,杂原子O的存在也在一定程度上增强了PEEK的热稳定性。

3 结论

(1)采用4,4’-二氟二苯甲酮与对苯二酚在碱金属碳酸盐存在下,以二苯砜作溶剂进行缩合反应,可以制得高分子量的PEEK。

(2)聚合反应最后一步反应时间不同,可得到不同分子量的PEEK产品,反应时间越长,其分子量越大,在320℃下反应3.5h后,分子量的增长趋于平缓。

(3)合成的PEEK的结晶度的完善程度、晶片厚度和球晶半径随分子量的增大而降低。

(4)合成的PEEK的熔点随着分子量的增加先变大后减小,由TGA可以看出,PEEK具有较高的热稳定性,是一种很好的耐高温材料。

参考文献

[1]马之庚,陈开来.工程塑料手册[M].机械工业出版社,2004,422-428.

[2]陈宇,陈德玉,杨立利,等.聚醚醚酮颈椎椎间融合器的临床应用及疗效评价[J].中国矫形外科杂志,2006,14(23):1763-1765.

[3]王宝成,李鲲,周海鸥.高性能工程塑料聚醚醚酮的开发研究[J].化工科技,2006,14(5):46-48

[4]邹强.用聚醚醚酮塑料制作压缩机气阀阀片[J].中国设备工程,2002,(10):22.

[5]赵晓刚,冀克俭,邓卫华,等.高性能聚芳醚酮的发展及应用[J].2009,37(3):80-83.

[6]吴忠文.特种工程塑料聚芳醚酮[J].化工新型材料,1999,27(11):18-20.

[7]金日光,华幼卿.高分子物理[M].北京:化学工业出版社,2005,88-92.

[8]刘天西,张宏放,韩平,等.热处理对聚醚醚酮晶体结构参数及结晶度的影响[J].高等学校化学学报,1996,17(7),1142-1146.

[9]何曼君,陈维孝,董西侠.高分子物理[M].上海:复旦大学出版社,2006,87.

[10]金日光,华幼卿.高分子物理[M].北京:化学工业出版社,2005,37.

热学复习 篇2

一、中考命题的特点

1.注重基础知识, 考查解决实际问题的能力。

近来中考已经摒弃了纯粹考查记忆性知识的试题, 更多的是将物理学的基本知识与基本技能放在真实、生动、具体的情景下进行考查。

如2007年和2008年贵阳市中考开卷题目:

例1 冬天, 我们在教室窗户的内侧, 会看到一些小水珠, 这些小水珠是室内空气中的水蒸气遇冷发生了 ( ) 。

A.液化; B.汽化; C.凝华; D.升华。

例2 炎热的夏天, 当我们打开冰箱门时, 会看到从冰箱内涌出团团白雾。实际上这些白雾是室内空气中的水蒸气遇冷而形成的小水珠, 这一物态变化过程是 ( ) 。

A.液化; B.汽化; C.升华; D.凝华。

2.渗透情感、态度与价值观。

试题的情景虽然是同学们常见的生活现象, 但大都是科学精神和人文精神的融合, 反映了当前教育价值观和责任意识, 更考察同学们的情感、态度与价值观。

如2007年贵阳中考第9题:

例3 汽油机是热机中的一种, 如图1所示, 是汽油机的______冲程, 此过程是将内能转化为______能。热机的发展和应用推动了社会的快速发展, 但同时又对环境造成了一定程度的污染, 还要消耗大量的不可再生能源, 对此请你写出一条合理建议:______。

3.数理结合, 考查同学们获取信息的能力。

初中物理对图像的要求不高, 一般只考察路程—时间图像, 晶体熔化、水沸腾图像和伏安图像, 要让同学们从图像获取信息来分析问题进而解决问题。

如2005年贵阳中考第12题:

例4 图2是表示晶体熔化和凝固的过程的图像, 从图中可以看出, 该晶体的熔化过程是图像上的______段。

4.注重科学探究、培养同学们的科学精神。

培养同学们学习的能力和提高科学素养是教育的终极目标, 着重考查同学们的科学探究能力和创新思维能力, 初中阶段尤其强调控制变量法。

如江苏盐城市2007年中考第27题:

例5 小明在两个易拉罐中分别装入等质量的沙子和水, 用相同的酒精灯对其加热, 以便探究沙子和水吸热升温快慢的程度。

(1) 比较沙子和水吸热升温快慢的方法有两种:

①______;

②______。

(2) 实验中小明猜想:沙子吸热升温比水快。如果他的猜想是正确的, 则应该观察到的现象是______。

二、中考命题走向

热学是初中物理的重要组成部分, 主要考查以下知识点和内容:

1.温度计原理及正确使用;

2.三态六种物态变化的辨别、判断;

3.影响蒸发快慢的因素, 蒸发吸热与应用, 沸点与压强的关系, 沸腾吸热及其应用, 液化的两种方法及其应用;

4.熔化与凝固图像的识别;

5.节约用水和防治水污染;

6.内能、改变内能的方法, 温度、内能、热量的关系;

7.比热容的概念、物理含义及计算, 会查比热容表, 会用比热容解释简单的物理现象;

8.热量的计算, 燃料的热值;

9.热机原理、各冲程特点、能量转化及热机效率;内能利用、环境保护。

热学在中考中所占比例不大, 所以更应该做到精练, 只有认真梳理考点, 做到有的放矢, 才能做到事半功倍, 避免限于题海之中。

三、热学中的难点及容易出错的问题

1.水的三态六种物态变化。

尽管教材存在版本差异, 但是物态变化基本上围绕水的三态展开, 要首先确定状态再来判断物态变化, 物态变化的难点在于汽化和液化的分析上, 因为有时候题目所给情景好象只有一种物态, 同学们往往觉得茫然。如火箭下方的“白气”是怎样形成的?从发射台下方的水池到“白气”均是液态水, 找不到第二种状态, 同学们便难于下手, 其实在复习中应强调气态的水蒸气眼睛看不到, “白气”的形成经历的状态是:水→水蒸气→水 (小水滴) , 物态变化显而易见, 同理揭开锅盖看见“白气”, 打开冰棒包装纸看见冰棒冒“白气”等同学们就能自行分析解决。

2.温度、内能 (或热能) 热量的区别。

(1) 温度是表示物体冷热程度的物理量, 宏观表现在分子无规则运动的剧烈程度。

(2) 内能是物体内所有分子由于热运动而具有的动能和分子势能的综合称为内能, 也称热能。

(3) 热量是物体通过热传递方式所改变的内能。

三个不同物理量之间是有联系的, 比如说“温度升高, 物体的内能一定增加”是正确的, 但是“物体的内能增加, 温度一定升高”却是错误的, 可以通过晶体熔化来解释。

3.物体内能改变的方式。

做功和热传递可以改变物体的内能, 教材上的说法是很科学的, 但同学们在应用上容易混淆认为对物体做功物体的内能一定会改变, 而忽略了热传递。在复习中可以将内能改变的方式列举出来, 即“在无热传递情况下, 对物体做功物体的内能一定会改变。”这样才能让同学们把握好“可以”改变内能的真实含义;此外也可以用高中的知识拓展热传递的概念, 即除了用做功的方式使物体内能改变均称为热传递。同学们可自然地延伸到除了热传递方式是物体内能改变均可认为是做功, 这样为电学学习时, 导体发热是因为电流做功埋下伏笔, 也可以拓展同学们建立在“力和物体在力方向通过距离的乘积”的做功概念。

4.热机的工作循环的辨别。

对于四冲程热机来说, 单一的一个冲程出现在题目中让同学们辨别同学们很容易丢分。其实只要抓住本质把汽缸简化后强调阀门和活塞的运动就能很容易区分开四个冲程:

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例6 如下图3为一个热机的四个冲程, 其中甲是______冲程;乙是______冲程;丙是______冲程;丁是______冲程。

总体上中考对热学的要求难度不高, 但是对同学们考察能力而言是一个很重要的方面, 复习时要对日常生活、自然现象中的大多数热现象所涉及到的热学知识, 进行理解后识记, 不能死记结论和规律, 夯实基础, 立足课本是复习的重点, 从而达到良好的复习效果。

浅谈大学《热学》课程教学 篇3

关键词：热学,课程结构,教学方法

热学在19世纪便已发展成为一门比较完备的科学, 随着人们对客观世界的了解深入, 关于热学的知识也在不断扩展。热学是物理学科的一个重要组成部分, 是研究与热现象有关的规律的科学。课程教学的目的是掌握热现象规律, 了解热现象作为“大数”粒子无序运动的本质, 为大学阶段其他课程的学习打好理论基础, 是本科物理专业学生必修的一门专业基础课。我们使用的热学教材是经典的李椿等编著的《热学》教材, 通过几年的教学实践, 对热学课程的教学内容及教学方法做了一系列的探索和总结。

一、热学课程的结构及特点

热学课程的主要内容分为三大部分:宏观理论部分, 称为热力学, 是通过直接观察和实验测量, 再用严密的逻辑推理方法总结出来的有关热现象的规律, 研究的方法是宏观法, 所得出的热力学基本定律是自然界中的普适规律, 具有可靠性与普遍性, 但是它只适用于粒子数很多的宏观系统、主要研究物质在平衡态下的性质、把物质看成为连续体, 不考虑物质的微观结构, 没有解释事物的微观本质;微观理论部分, 称为统计物理学, 是从物质内部的微观结构出发, 即从物质分子、原子的运动及它们之间的相互作用出发, 用统计的方法来研究系统的热学性质, 它可以揭示热现象的微观本质, 但由于它在数学上遇到很大的困难, 由此做出的简化假设 (微观模型) 后所得的理论结果与实验不能完全符合;物性学部分, 即热学理论的应用, 利用前两部分的理论说明物态的性质及其相互变化的规律, 包括液体、固体、相变的基础理论[1]。前两部分是课程要求的重点, 宏观部分学生掌握起来较容易, 但统计物理学部分涉及到微观领域及统计的方法, 理解起来较难一些。

二、热学内容的表述方式

关于内容的表述, 不外乎有文字表述、数学表述及图像表述等, 而在热学中这三种表述在一个概念中可能都会出现。比如说热力学第一定律的应用, 涉及到四个等值过程, 其中在这些过程中会有过程的图示, 即P-V图, 也会有能量的转换关系的描述, 当然不同的能量也可以由数学表达式表示出来。

1. 文字表述。

科学内容的表达力求严谨, 文字力求精确、简洁, 例如, 平衡态的定义, “孤立系统宏观性质不随时间变化的状态”, 定义简洁明了, 其中的关键词是“孤立”二字, 也说明了平衡态的特性, 如没有这二字, 也就不能称其为平衡态了。另外, 在热学的表述中, 很多地方用到了否定的语言, 体现最为明显的是热力学第二定律, 涉及到的定律的两种表述, 开尔文表述和克劳修斯表述都是用“不可能”这样否定的词开头叙述内容, 之后两种表述的等效性的证明也同样采用了反证法, 而不是直接证明。还可以用反证的方法证明两条绝热线不能相交、绝热线和等温线不能相交于两点等类似的题目。

2. 数学表述。

对于热力学中的概念, 文字的描述要多一些, 内容也很好理解, 学生一般接受也较容易, 但对于统计物理中的概念, 文字就变得比较抽象, 不好理解, 所以在微观方面, 相比文字, 数学更直观、更容易理解记忆。相比于物理专业中的其他课程, 热学中涉及到的式子并不是很多, 学生也可以根据内容体系, 用数学表述的形式把学习到的知识串接在一起, 进行系统、有对比、有条理的学习。

3. 图像表述。

在热学中也运用到了非常多的物理图像表述, 相比于前两种表述, 图像表述更形象、直观、容易理解。例如, 在讲解气体分子按速率分布时, 速率分布函数的概念较抽象, 物理意义不好理解, 但通过利用速率分布曲线图, 从图中曲线的形状、曲线下包围的面积、曲线的峰值对应的速率等方面可以充分理解分子按速率分布的物理意义, 使抽象的问题变得形象生动。所以, 可以通过作图, 把物理概念、数学计算变得简单化, 直观化。

三、热学教学的方法

在热学课程教学中, 怎样才能把学生认为枯燥的、难懂难记的知识内容变为有趣的、易于理解的内容呢?这就需要我们充分了解这门课程, 注意每一个细节内容, 把零散的看似不关联的内容整合起来, 达到融会贯通、心中有数, 这样讲给学生时才能有的放矢、游刃有余, 学生学习的目标也会变得明确、理解透彻。在课程的讲解中, 可采取以下几种教学方法。

1. 归纳总结的方法。

教师在讲完每一部分后要对内容做一个总结, 把重点内容用一条主线串连起来, 便于学生的理解和掌握。例如, 在热力学第一定律这一部分, 可以用几个字把这一部分的主要内容概括出来:一个定律、两个循环、三个物理量、四个过程, 即热力学第一定律, 热机循环和制冷循环, 内能、功、热量三个物理量, 等体、等压、等温、绝热四个过程。这样的总结使学生既了解了所学知识的重点, 也更容易地掌握了所学的知识点。另外, 在习题的讲解中, 也应善于总结和归纳, 学生在中学时习惯了大量的题目练习, 即所谓的题海战术, 通过熟练的做题来达到掌握知识的目的。在大学的学习过程中, 教师应引导学生如何去学习, 怎么去做总结, 怎样用最短的时间掌握最多的知识。首先, 课堂上教师针对所讲知识点应选取一两个例题进行讲解, 对用到的知识及所用的解题方法进行归纳总结, 学生学习之后对这类题目的解题思路、技巧、用到的知识点等非常熟悉, 而且能够做到举一反三, 提高了学习的效率及解题的准确性。

2. 类比的方法。

类比法是指一类事物具有某种属性, 可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的推理的方法。通过类比, 可以用熟知的知识引出未知的知识, 节约学习时间, 也使认知变得简单易懂。例如, 在讨论热力学过程及其涉及到的内能、热量、功的转化时, 可以在P-V图中进行描述, 之后, 在热力学第二定律中引出熵的概念后, 可以通过T-S图表述理想气体的性质, 特点。通过类比, 会发现P-V图和T-S图有很多相似的地方, 例如, 我们用P-V图示法表示系统在准静态过程中做的功, 即示功图, 而用T-S图示法表示系统在准静态过程中吸收的热量, 即示热图;在这两类图中, 每一个点代表一个平衡态, 每一条曲线代表一个可逆过程;闭合曲线所包围的面积等于系统经历一个可逆循环过程后从外界净吸收的热量, 也等于系统对外做的功。通过这样的对比学习, 会发现原来枯燥的内容也很有趣, 在学习中发现物理中的相似的美。再如, 在学习气体的输运过程时, 粘滞、热传导、扩散三类输运现象也可以进行类比学习, 它们分别对应当气体各处的流速、温度、密度不均匀时发生的过程, 得出的宏观规律的表达式及微观解释都很相似。通过这样类比的学习, 很容易掌握了新的内容, 也对所学的内容有了更深刻的理解。

3. 讨论学习的方法。

目前, 在教学中提倡贯彻“学生为主体, 教师为主导”的教学原则[2], 教师给学生提供机会使学生积极地参与到教学活动中, 调动学生学习的主动性、积极性。我们可以结合重要的知识点, 课堂上让学生到讲台上参与问题的讨论及讲解, 也可以以作业的形式布置下去所要讨论的问题, 学生下去查资料、写小论文等, 之后在课堂上以学生为主体进行讨论。例如, 在讲解熵的概念时, 不妨先让学生自己先查一些关于熵的内容, 比如熵这个物理名词的提出、熵的概念的建立、熵增加原理、熵的应用等。学生通过调研, 对熵这个抽象概念就有了一个初步认识, 在课堂上讨论时, 学生也把他们自己查到的资料讲解出来, 既可以增加信息量, 又可以使学生更深刻准确地认识熵。所以, 通过这样的讨论学习, 可以使每一位学生都在思考, 互相启发, 找出正确解决问题的方法, 在这样的教学中, 学生不但学习、积累了知识, 而且锻炼了学生提出问题、解决问题的能力, 对其综合能力的培养也起到了很好的作用。所以, 教师在课堂上不能一味的自己在讲解, 要加强与学生的交流, 结合内容提出问题, 引导学生参与到课堂教学中, 培养学生的主体意识, 激发学生主观能动性, 使学生更好地掌握所学内容。

虽然热学课程只是一门专业基础课, 学时也比较少, 但是它是学生进入物理专业后最先学习到的一门课程, 学习好这门课程会为后续专业课程的学习打下良好的基础。在教学中, 充分掌握课程特点, 采用合适的教学方法, 使学生喜欢上这门课程, 发现学习中的乐趣, 进而学习好这门课程, 增强探索求知和解决问题的能力。

参考文献

[1]李椿, 章立源, 钱尚武.热学[M].第二版.北京:高等教育出版社, 2008.

传热学课程考试改革实践 篇4

一、“1+1”

前两部分是平时成绩和程序成绩。平时成绩占期末总评的10%, 其中主要包括学生到课情况、回答问题情况以及作业情况。考核方式采用扣分制, 即开学时每个同学有10分。每个学期点名次数在3~4次, 缺席扣3分, 请假和迟到扣1分;课堂提问随即, 作为附加奖励, 问答完全正确加2分, 回答基本点到位加1分;作业每个学期5~6次, 为了避免抄袭作业情况发生, 不统计作业做的好坏, 对于相同作业者都扣3分, 少交一次扣1分。平时成绩的总体考核统计原则是扣完为止, 不溢出。问卷调查显示, 有个别同学认为请假不应扣分, 这也是传热学课程考试改革需要不断创新和完善的地方之一。程序成绩也占期末总评的10%。程序成绩是传热学课程的特点, 主要针对“导热问题数值算法”一章进行考核。通过对实际问题进行物理数学建模, 编写程序进行数值计算, 将前导课程C语言与传热学及工程应用联系在一起, 使学生学以致用。问卷调查表明, 84.5%的同学认为以前学C语言都不知道有什么用, 现在用来解决实际问题才明白计算机语言的重要性。程序成绩的评定遵循以下原则:解不能收敛扣5分, 程序没有优化扣1-3分, 没交程序自然没有本部分成绩。

二、“3”

第三部分是团队合作考核法, 占总评成绩的30%。团队精神是任何个人单位和集体取得事业和科研成功的主要因素之一。目前用人单位对高校毕业生提出的问题表现在:拼搏精神不足;创新能力明显不够;解决实际问题的能力差;团队协作意识弱。这也是由于高校长期传统的教学方式和考核制度造成的。西安科技大学安全类传热学课程考试改革通过团队合作考核对以上问题进行了改善。通过布置一些与传热学课程有关的工程问题 (学生也可自选与本课程相关题目) , 将学生按四到六人分为一个小组, 每个小组一个题目, 最后完成一篇科技论文。学生分工合作, 互相讨论, 通过查阅文献, 分析总结, 最后提出自己的想法来完成论文, 这样既提高了学生查阅文献的能力, 还培养了团队合作精神, 也易于培养学生成为研究型工程人才。即, 通过此部分的考核, 能达到《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010-2020年) 》文中对于人才培养的要求。既然是团队合作考核法, 最终某篇论文的成绩是该小组所有成员的共同成绩。论文成绩的评定按照论文规范性、文献综述能力、论文创新性或实用性、论据论点充分性、综合评判等5个部分进行评分, 每部分占该部分30分中的6分。论文规范性按照西安科技大学学报自然科学版格式进行评判, 其中也包括符号、图标的规范性等;文献综述能力主要看学生是否对论文研究方向上国内外的研究现状进行归纳分析;论文创新性或实用性主要看论文有没有亮点;论据充分性考核学生的书面表达能力;综合评判是对论文进行综合评价, 也包括能否按时完成论文。团队合作考核法问卷调查突出三个特点:78.6%的学生已经完全知道该如何处理工程问题及撰写科技论文;86.3%的同学深深体会到团队合作的重要性;有同学反映, 该组有同学没有参与科技论文写作的任务。第三个特点也是考试改革中需要改进的地方之一, 需要在考试改革实践中进行完善或修正。

三、“5”

第四部分采用闭卷考试进行, 占总评成绩的50%。该部分考试是传统的闭卷考试, 但又与传统的方式不同, 其是在考虑了传热学这门课程自身特点的基础上进行了改革修正。西安科技大学安全类传热学课程考试改革实践分三类内容对学生进行考核。

1. 基本概念及基本理论的记忆考核, 占闭卷考试的30%。

该部分通过名词解释、填空、简答说明、证明等形式展开。主要考核学生对传热学课程基本知识点及常识性问题的记忆掌握。这部分不牵涉复杂公式 (尤其是经验公式) 的记忆。

2. 基本知识点引申的应用掌握考核, 占闭卷考试的20%。

这部分考核内容在授课时没有特别强调, 以判断题的形式出现, 用来考查学生对本课程相关知识点的扩展应用。有些知识点教材里有提示, 比如“冷凝器一般采用水平的布置方式”;有些教材里没有提示, 例如“冬天晒过的棉被感觉更暖和是因为棉被里存了更多的空气的缘故”。

3. 工程问题的应用及计算, 占闭卷考试的50%。

此部分包括两种形式:计算题和物理数学建模, 一般是5道大题, 每题10分。所有计算题所用公式及系数在题干里以“提示”的形式给出, 比如在计算对流换热系数及换热量时, 给出层流和湍流两套公式, 学生在答卷时首先计算雷诺数的大小, 然后确定该用哪一个公式进行计算。物理数学建模通过给定的实际问题, 要求学生通过对问题的假设简化, 确定微分方程及时间边界条件, 不需要计算。闭卷考试成绩的确定有学校标准的评分标准, 工程问题的应用计算评分时重过程而非重结果。通过近两年的对传热学闭卷考试的改革实践发现, 学生闭卷考试成绩拉得很开, 平时不学习的同学基本对第三类考试内容无从下手。闭卷考试问卷调查显示, 89.4%的同学认为该方式能体现学生对本课程所学知识的真实掌握水平。

西安科技大学安全类专业传热学考试改革是在不断的教学过程中进行的, 该考试改革方案是针对目前教育制度而制定的。而改革是一个需要不断研究不断创新的课题, 及时发现问题、解决问题, 才能创造出以现代化教育科学理论为指导的, 行之有效的高等教育课程考试改革, 为培养一代新人做出更大贡献。

参考文献

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[5]郭永辉, 王子云.关于传热学课程教学改革之我见[J].制冷与空调, 2004, 16 (2) :69-70.

国内外生土材料热学性能研究综述 篇5

生土材料是一种具有悠久历史的古老建筑材料, 最早可追溯至公元前1 万年, 它的使用范围遍布世界各地, 为世界文明的发展做出了重要贡献[1]。目前在我国甘南藏族自治州、宁夏回族地区、新疆、福建、云南、内蒙古、河南等地至今仍保留着生土建筑[2,3]。生土材料具有能耗低、造价低和良好的保温性能等优点, 但因其强度较低、耐水性差等原因, 使生土材料逐渐受到摒弃。近年来, 随着可持续发展和新农村建设的相关内容深入人心, 低碳环保的生土材料又引起了广泛关注。国内外对生土材料的资源化利用进行了一系列研究, 解决了生土材料力学及耐久性方面的缺陷, 但对热传递方面的系统性研究还有所欠缺。如果能在对其力学性能和耐久性能优化的同时, 兼顾其保温隔热性能, 绿色环保的生土材料必将得到进一步推广应用。基于此, 本文从不同改性组分、不同体积密度和湿含量等方面分析了国内外有关生土热学性能方面的研究现状。

1 不同改性组分对生土材料热学性能影响研究现状

生土材料本身在物理力学性能、耐久性等方面存在明显不足, 不适合广泛应用。因此, 在实际使用过程中, 使用者大多对生土材料进行了物理或化学改性, 增强了生土材料的力学性能和耐久性。但是, 不同的改性组分对生土的热学性能影响也有较大区别。笔者分别就水泥与石灰、纤维及其他改性组分对生土材料热学性能的影响进行了分析。

1. 1 水泥与石灰对生土材料热学性能影响研究

1995 年, E. A. ADAM等[4]运用稳态热流法对掺水泥、石灰改性不同类型生土材料的导热性能做了一系列的研究, 得到水泥、石灰对不同类型生土材料导热性能的影响。通过分析掺石灰及水泥的生土砌块的导热系数值可知: 对于两种不同类型的生土材料, 掺石灰生土砌块的导热系数都要普遍低于掺水泥的生土砌块, 这可能是由于掺水泥增加了生土砌块的密实度, 而掺石灰降低了生土砌块的密实度所致。这种趋势也可以从实验结果中看出, 如掺石灰的生土砌块密度范围是1 540 ~ 1 860 kg/m3, 其导热系数范围在0. 26 ~ 0. 41 W / ( m·K) , 掺水泥的生土砌块密度为1 820 ~1 920 kg / m3, 其导热系数范围在0. 46 ~ 0. 55 W/ ( m·K) 。

2006 年, S. Kenai、R. Bahar等[5]运用稳态热流法对掺加不同含量的水泥和石灰的生土材料进行了导热系数的测试。S. Kenai和R. Bahar认为对不同类型的生土材料, 水泥或石灰掺量的多少对导热性能都没有一个固定的趋势, 导热系数在0. 84 ~ 1. 25 W/ ( m·K) 变化不定。S. Kenai认为夯土试样的导热系数变化可能主要是由于样品的含水量不同或者样品的密度不同所导致的。

1. 2 纤维对生土材料热学性能影响研究

Younoussa Millogo、Jean - Claude Morel等[6]采用瞬态导热法研究了掺不同含量、不同长度木槿麻纤维的压制土坯块的导热性能。结果表明: 随着纤维含量和长度的增加, 试样的导热系数下降。相对于30 mm长度的纤维, 60 mm长度的纤维在压制土坯块中占有更大的体积, 而纤维的导热系数低, 导致压制土坯块导热系数降低。与不掺纤维的试块相比较, 掺0. 4wt% 、30 mm的纤维, 导热系数下降了9% , 掺0. 8wt% 、60 mm的纤维, 导热系数下降了20% 。从导热性能来看, 选用掺0. 8wt% 、60 mm的纤维的生土砌块较好, 但是过多的纤维掺量降低了试样的抗侵蚀性能。

2013 年, 西安建筑科技大学吴谨[7]采用瞬态热线法在室内空气相对湿度45% 的情况下测试了素土、外掺0. 3%和0. 5% 麻草、外掺3% 和5% 红署淀粉各组土样的导热系数。结果表明加入麻草、红薯淀粉两种外加剂后, 土样导热系数相比素土均有所下降, 其中外掺质量分数为0. 5% 麻草的改性生土, 改性效果最为明显, 导热系数为0. 699 8W / ( m·K) , 而素土导热系数为0. 783 8 W / ( m·K) , 导热系数下降11% 。

柏文峰[8]研究了用废纸加工的再生纤维增强轻质生土材料, 得到二次纸纤维增强砌块的干密度在800 kg/m3左右, 与蒸压加气混凝土的干密度相近。实验结果表明: 掺二次纸纤维及水泥增强的轻质生土材料导热系数为0. 100 4~ 0. 117 6 W / ( m·K) , 均小于0. 25 W / ( m·K) , 属于绝热材料。这说明二次纤维的掺入不仅对密度影响大, 对导热性能也有较大影响, 具有良好的保温隔热能力。

1. 3 其他改性组分对导热性能的影响

郑寒英[9]采用风化页岩、矿渣、粉煤灰、石灰、稻壳灰、水玻璃和草纸经浸泡处理而成的纸浆对生土材料进行不同改性, 测试了经改性后生土材料的导热系数。结果表明: 经不同改性剂改性后生土材料的导热系数与改性前相差不大, 故认为对生土材料进行改性不会破坏其原有的热工性能。但不同改性剂对生土材料热工性能的影响略有差异, 经化学改性剂改性后土样的导热系数比经物理改性土样的导热系数更大, 其中掺植物纤维土样的导热系数接近原土样的导热系数。在经化学改性剂处理的土样中, 稻壳灰处理的试样导热系数最高, 但相差不大。

谭晓倩[10]以生土、矿渣、胶砂、激发剂、水和吸附石蜡膨胀珍珠岩为原料, 制备出干表观密度为1 674 kg/m3、导热系数为0. 35W/ ( m·K) 的活化生土基石蜡珍珠岩相变建筑材料。谭晓倩认为活化生土基石蜡珍珠岩相变建筑材料的低导热系数是由于吸附石蜡的膨胀珍珠岩的掺入所导致。膨胀珍珠岩吸附石蜡后内部仍然保留了许多微孔结构, 微孔中的空气导热系数比其他纯水泥基材料的导热系数都要低, 而且由于孔隙的几何尺寸小, 限制了气体分子的自由行程, 使得其内部包含的空气基本上处于静止状态, 对流传热量大大减小; 另一方面, 由于大量孔隙的存在, 使得单位材料体积内固体孔隙壁的截面积减小、传热路径延长, 从而使导热量降低。与此同时, 由于大量孔隙壁相当于存在无数个遮热板, 故使得辐射传热也大大削弱。

2 不同体积密度对生土材料热学性能影响研究

联合国人类住区中心在已发表的文献中总结了生土材料的热学性能, 发现干密度和对应导热系数的关系和其他矿物材料类似。并在报告中指出体积密度变化与其导热系数变化是相对应, 例如土坯块密度范围是1 200 ~ 1 700 kg/m3, 其导热系数范围是0. 46 ~0. 81 W/ ( m·K) ; 夯土墙密度范围是1700 ~ 2 200 kg / m3, 其导热系数范围是0. 46 ~ 0. 81 W/ ( m·K) ; 压制生土砌块的密度范围与夯土的密度范围类似, 可导热系数范围却不同, 为0. 81 ~0. 93 W/ ( m·K) [4]。

西安建筑科技大学尚建丽、刘加平等[11]采用热脉冲法测试了不同龄期对应的不同含水率下的夯实粗粒土的导热系数。结果表明: 夯实粗粒土的导热系数随着夯实密度的减小而减小, 随着含水率的增加而增加。尚建丽等认为作为建筑围护结构材料, 由于既要考虑承重又要保证热工性质, 必须兼顾夯实密度与导热系数的协调性, 控制最佳含水率以达到最大的密实度, 可以保证夯土材料最佳蓄热能力, 使夯土建筑达到夏季的“冷房效应”、冬季的“暖房效应”。

陈兵、胡华洁等[12]以生土作为掺料, 制备了生土泡沫混凝土。研究了生土泡沫混凝土的干表观密度、导热系数等。结果表明: 生土泡沫混凝土的导热系数随着泡沫掺量体积分数的增大而减小, 随微硅粉掺量质量分数增大, 生土泡沫混凝土保温隔热性能得到改善。利用生土作掺料, 同时掺加20% 微硅粉, 可以制备出干表观密度和导热系数分别为790 kg/m3及0. 156 W/ ( m·K) 的性能优异的生土泡沫混凝土 ( 泡沫掺量为60% ) 。泡沫掺量75% 的生土泡沫混凝土的纳米级孔隙量低, 保温隔热性能好。当其作为墙体材料时, 可以提供人体舒适的湿度和温度室内环境, 但其抗压强度还有待提高。

上海交通大学李胜男[13]以黏土取代石英砂, 采用普通硅酸盐水泥、高铝水泥和发泡剂等原材料制备黏土质泡沫混凝土。探讨了泡沫掺量和微硅粉掺量对黏土质泡沫混凝土表观密度和导热系数的影响。试验结果表明: 泡沫掺量和微硅粉掺量对泡沫混凝土保温隔热等性能有较大影响, 其中泡沫掺量在40% ~ 60% 时最为合适。随着泡沫掺量的增大, 导热系数不断减小, 黏土质泡沫混凝土的表观密度不断降低; 随着微硅粉掺量的增大, 黏土质泡沫混凝土的保温隔热性能得到提高。当表观密度为1 100 kg/m3左右时, 黏土质泡沫混凝土的导热系数为0. 24 W/ ( m·K) 。

3 不同含湿量对生土材料热学性能影响研究

西安科技大学闫增峰[14]对生土建筑的夯土墙围护结构的导热性能做了研究, 在实验室中利用稳态和瞬态相结合的方法得到生土建筑围护结构试块的导热系数。结果表明:夯土墙体的导热系数随着含湿量的增加而增加, 在常温 ( 25℃ ) 、常湿 ( 60% ) 情况下, 夯土墙的导热系数近似为0. 720W / ( m·K) 。

李刚、姜曙光等[15]分析了纯黏土材料的导热系数与含水率的关系, 在试件的强度最大时材料最为密实, 因此, 材料内部的孔隙少、强度高、而导热系数也高, 当含水率为25. 23% 时, 导热系数达到0. 804 6 W/ ( m·K) , 当含水率为29. 22% 时, 导热系数为0. 693 8 W/ ( m·K) 。强度为最大时, 导热系数也达到最大值。说明此时材料的保温效果较差。因此, 对于纯黏土试件来说, 在满足强度使用的条件下, 可逐步提高试件成型时的含水率, 使材料在干燥后内部有密闭的孔隙存在, 可以使材料的导热系数进一步降低, 在不同水泥掺量下, 含水率增大, 材料导热系数有所下降。石灰∶ 粉煤灰∶ 水泥∶ 粘土= 7∶ 5∶ 2∶ 86, 试件成型时含水率控制在35% 时, 导热系数为0. 353 6 W/ ( m·K) 。

Matthew Hall和David Allinson[16]研究了水泥稳定夯土材料 ( SER) 的导热性能, 认为对于高度夯实生土材料的导热系数与其干密度或其孔隙率没有直接关系。对于随着相对密度的增加导致导热系数增大的现象, Matthew Hall等认为是由于内部的颗粒与颗粒接触的更紧密导致导热系数增大, 与最大干密度本身无关; 并提出具有相同矿物成分的夯土材料内部粒子表面接触程度是影响导热系数的主要因素。而且Matthew Hall等还认为随着水分饱和度增加, 含湿导热系数也随之增加, 并随着材料的颗粒级配的不同呈梯度变化, 如图5 ~ 6 所示。这主要是由于水分的增加, 土颗粒与土颗粒之间的毛细孔被水分填充, 增大了颗粒与颗粒之间的接触, 因此, 热量更容易传输, 导热系数变大。而且理论上导热系数 λ*的增长与实际测量的趋势是相同的, 二者的斜率也很相似。

4 结语

生土材料是农村传统特色建材, 在建筑史上发挥着不可替代的作用。本文通过不同改性组分、不同体积密度和湿含量等方面对生土材料的热学性能研究现状进行了分析, 分析发现对生土材料固有的保温、隔热、调湿等功能研究不足。尽管有研究者对生土材料的热学性能进行研究, 但由于各个研究者选取的测试方法不同, 导致结果偏差大, 不能够统一比较, 进而造成了研究结果缺乏系统, 并且缺乏统一的检测标准。因此, 建议在以后的研究避免出现上述类似问题, 进而推动生土材料的热学性能研究更加严谨、科学。同时使生土材料在保留特有生态优势的基础上适应现代生活需求, 使其应用更加广泛。

摘要：本文详细阐述了国内外生土材料在热学性能方面的研究现状和进展, 着重探讨了不同改性组分、不同体积密度和不同含湿量对生土材料导热的影响, 以期对以后研究生土材料热学性能有所裨益。

热学行为 篇6

远程荧光技术最早由1997年台湾的HsingChen等人[1]提出, 他们利用该方法成功制作了出光均匀性, 投射角等性能均优于传统封装方式的白光LED, 该技术的主要原理是将荧光粉和基体材料预先成型为远程荧光器件, 在后续封装的过程中直接和LED芯片组合产生白光LED。

该种方法相对于传统的点胶封装形式, 具有工艺简单, 光色均匀, 效率高的优点。作为研究的热点, 很多学者主要针对该技术出光效率进行了深入的研究, 2005年Narendran等人[1,2,3]利用二次光学设计提出的SPE封装结构, 此种封装结构的取光效率可以达到81%, 2007年Allen等[4]利用球型荧光粉结构加上内部全反射原理制造出被称为ELi XIR (EnhancedLightExtraction byInternalReflection) 取光效率达到96%的封装结构, 2010年Lin等[5]提出的环形远程荧光封装结构, 取光效率可以达到94.1%。

相对于出光效率, 关于远程荧光器件的热学特性却很少有相关研究, 由于大功率白光LED是由芯片、荧光粉、硅胶、银胶、PPA支架等原料封装而成[6], 温度对于大功率白光LED照明是一个十分重要的参数, 同时远程荧光器件所用的基体材料多为聚碳酸酯、硅胶等有机物, 因此温度是否控制的合理直接关系到其使用寿命。针对此现象, 本文主要从荧光粉和器件的光电参数两方面进行了远程荧光器件热学特性的研究。

A.空白PC板E点温度;B.空白PC板F点温度;C.荧光粉PC板E点温度;D.荧光粉PC板F点温度A. E point temperature of blank PC board;B. F point temperature ofblank PC board;.C.Epointtemperature of phosphorsPCboard; D. F point temperature of phosphor PC board

一荧光粉自加热现象

BohanYan等人[7]研究发现, 由于荧光粉胶的局部温度会高于芯片的温度, 所以目前仅仅用芯片的结温来衡量白光LED光源的热学效应并不是很严谨。

本文设计一种隔离式测试夹具, 将LED蓝光光源和远程荧光器件分离进行温度测试, 温度测试系统为杭州威博科技的多路温度测试仪TC-2008, 测试夹具如图1所示, 其中A为散热器, B为隔热层PMMA塑料 (避免芯片的热量以热传导方式传递给远程荧光器件) , C为LED蓝光光源, D远程荧光器件 (掺有荧光粉的聚碳酸酯板) , E为温度测试点, F为隔热层温度测试点。为了证明荧光粉在受激发过程产生自加热现象, D处器件选择未掺加荧光粉的聚碳酸酯板 (空白PC板) 和掺有荧光粉的聚碳酸酯板 (荧光粉PC板) 进行对比。

从图2可以得出, 在相同的蓝光条件下, 空白PC板和荧光粉PC板的F点的温度分别为30.8℃和35.7℃, E点的温度分别为59.5℃和81℃, 温度差值分别为ΔT1=4.9℃、ΔT2=21.5℃, 实验结果表明, 隔热层PMMA塑料的温度相差不大, 即由蓝光光源对于器件的热传导效应影响可以忽略, 同时E点的温度差ΔT2=21.5℃, 说明了荧光粉PC板在受到蓝光的热辐射效应的同时还受到了自加热效应, 荧光粉的自加热量数值较大, 可以作为一个独立的热源, 因此在实际应用中并不能仅仅只依靠结温来衡量光源的热学效应, 需要同时控制荧光粉和芯片的温度以达到提高白光LED光源可靠性的目的。

二不同驱动电流时的光热特性

(一) 不同驱动电流时的热学特性

目前在LED的下游应用产品中, 厂家为了达到高光通量的目的, 人为的增大光源的输入电流, 但是随着电流的增大, 光源的发热量急剧增加, 长时间作用下, 光源的可靠性将大大降低, 缩短了光源产品的使用寿命。

针对实验芯片的额定电流为0.35A的前提条件下, 主要研究0.20A、0.35A、0.40A三种不同驱动电流条件下的光源温度变化趋势、光功率衰减趋势以及对应的蓝光和黄光的光功率衰减趋势。测试夹具如图3所示, 测试点A为光源的中心, 测试点B为外圈芯片连线的中心。

从图4中可以发现, 随着电流的增大光源表面的温度均呈增大趋势, A点在三种电流条件下对应的温度分别为:57.7℃、82.9℃、95.9℃, B点对应的温度分别为:40.1℃、56.2℃、65.9℃, 随着电流的增大, 光源的温度与电流几乎呈正比直线关系增大, 其中在0.40A电流条件下B点温度已经高于0.20A条件下的A点, 说明在大电流条件下, 温度影响已主要取决于电流。

(二) 不同驱动电流时的光学特性

不同驱动电流时的光学特性通过杭州远方PM-80光谱测试系统测得, 从图5中可以看出, 随着电流的增大光功率衰减曲线的幅度均不相同, 大电流驱动条件下的光功率衰减的幅度更大一些, 主要原因是大电流驱动在提高光功率的同时也提高了光源的热量, 随着电流增大热量积聚在光源内部的比例逐渐升高, 由于芯片和荧光粉对于温升满足阿伦尼乌斯方程[8,9], 所以总体表现出随着电流的增大, 光功率衰减的幅度也逐渐增大。所以针对不同驱动电流条件下光功率的衰减, 需要进行芯片和荧光粉的分解研究, 将白光LED光谱按照图6进行分解统计, 其中蓝光区域代表的是芯片的光功率, 黄光区域代表的是荧光粉的光功率, 通过不同驱动电流条件下测得的白光LED的光功率分解, 即可得到相应的芯片和荧光粉的光功率衰减曲线, 如图7所示。

A.0.2A时A点温度;B.0.2A时B点温度;C.0.35A时A点温度;D.0.35A时B点温度;E.0.40A时A点温度;F.0.40A时B点温度A.Apointtemperatureat0.2A;B.Bpointtemperatureat0.2A;C.Apointtemperatureat0.35A;D.Bpointtemperatureat0.35A;E.Apointtemperatureat0.40A;F.Bpointtemperatureat0.40A

通过图7蓝光与黄光的光功率衰减曲线对比图5白光的光功率衰减曲线可以看出, 黄光的衰减幅度与白光的衰减基本一致, 而蓝光的衰减则没有很大的变化, 此结果说明, 相比于蓝光芯片的衰减, 封装用荧光粉的衰减则是引起白光LED光功率衰减的主要原因。

三结论

利用热学和光学测试系统证实了荧光粉具有自发热效应;在不同电流条件下研究了温升和光衰现象, 利用光谱分离法研究了白光LED光衰的主要原因, 研究表明温度对于白光LED的衰减起着十分重要的作用, 同时白光LED的光衰主要是由荧光粉的衰减引起的, 文章研究得出的规律和结论对于实际生产具有参考意义。

摘要：远程荧光技术作为白光LED封装的方式之一, 近年来得到广泛的研究。本文采用热学和光学测试相结合的方法, 测试研究了远程荧光器件的热学特性。研究结果表明:荧光粉具有自加热现象, 白光LED的光衰主要是由荧光粉的衰减引起的。

关键词：远程荧光技术,荧光粉,自加热,热学特性

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热学行为 篇7

关键词：乙酰化木粉,复合材料,热学性能

近年来,利用植物纤维作为填充物与塑料共混制备新型复合材料即木塑复合材料引起了众 多学者的 关注[1,2,3]。木塑复合材料在挤出、注塑等制备过程呈现出熔融流动状态,既表现出粘性,又表现出弹性和塑性,这就要求所加工的材料在加工温度下具有合适的加工强度和流动性能[4]。杨木是我国种植面积非常广的一种速生树种,纤维含量很高,适合于制备木塑复合材料。杨木粉由于自身具有很强的刚性,且其内部 存在大量的氢键易构成网络支架,与塑料基体共混时容易发生团聚和集中导致体系的加工流动性变差,使复合材料的加工变得困难。国内外一些学者对复合材料的加工流 动性、动态力学等热学性能进行了研究[5,6,7],为材料的加工及使用提供了十分重要的指导意义。

为制备得到疏水性和耐候性较好的复合 材料,本研究通 过对木粉(WF)进行乙酰化改性处理得到乙酰化木粉(AWF), 使木粉内部大量的极性羟基被乙酰基取代。采用熔融共混挤出的方法制 备一系列 不同质量 比例的AWF/PLA、AWF/ LDPE共混材料,利用注塑手段将其成型,对其热学性能进行研究讨论。

1实验部分

1.1主要原料

杨木粉(80目),江苏嘉景复合材料有限公司;乙酸酐(分析纯),上海凌峰化学试剂有限公司;高氯酸(分析纯),上海金鹿化工有限公司;冰醋酸(分析纯),南京化学试剂有限公 司; 聚乳酸 (PLA,3051D,Mn为87500,Mw为169000),美国Nature-works公司;低密度聚 乙烯 (LDPE,1816H,熔融指数 为1.55g/10min),扬子石化-巴斯夫有限责任公司。

1.2主要仪器与设备

微量混合挤出仪(Minilab Ⅱ)、微量注射成 型机(MiniJet Ⅱ),Thermo Scientific公司;粉碎机(Q250A3),永康市哈瑞工贸有限公司;动态机械热分析仪(Q800型),美国TA公司;差示扫描量热仪(Diamond DSC型),美国PerkinElmer公司;同步热分析仪(STA 409型),德国耐驰公司。

1.3试样制备

(1)乙酰化木粉的合成

将杨木粉在105℃ 烘箱中烘 干12h,使含水率 小于1%。 称取10g木粉,加入四口烧瓶 中,并同时加 入80g冰醋酸,保证木粉充分 浸润,然后升温 至40℃ 搅拌活化2h。 之后将1.25g高氯酸和40g乙酸酐配成溶液在50℃下滴加到四口烧瓶中,0.5h内滴完。反应2h,得到粗产品,加入一定量的水静置沉淀。对粗产品进行抽滤,反复洗涤直到滤液为澄 清状态且pH在5.5左右,将滤出物在105℃的烘箱内干燥12h即得乙酰化木粉。

(2)复合材料及试样的制备

将PLA、LDPE、WF及AWF在105℃烘箱中烘干12h,使含水率控制在1%以内。材料的共混挤出过程在minilabⅡ上进行,螺杆转速为100r/min,制得PLA基共混材料(挤出温度160℃)和LDPE基共混材料(挤出温度140℃),然后以粉碎机破碎挤出物,在MiniJetⅡ中注射成型试样。

1.4性能测试

加工性能:称取粉碎后的共混材料3.5g加入微量混合挤出仪(条件与挤出过程相同)进行循环流动。粒料在挤出机中稳定10min后,测定其在加工过程中的扭矩和黏度。

动态热机械性能:实验在双悬臂模式下进行测试,升温速率为3℃/min,在30~200℃温度范围内测试样品的储能模量和损耗因子Tanδ随温度的变化。

差示扫描量热:样品量5~10mg,在氮气保 护下进行,氮气流速为30mL/min,升温速率20℃/min,先升温至200℃ 并保持10min以消除样品热历史,冷却至室温后再次升温 扫描至200℃,以第2次升温曲线进行分析。

热重分析:样品量为5~10mg,测定条件 为:氮气流速30mL/min,升温速度20℃/min,升温范围25~800℃。

2结果与讨论

2.1共混材料加工过程性能比较

图1、2分别为LDPE和PLA基共混材 料在MiniLab Ⅱ 中加工时的黏度和扭矩。加工黏度和扭矩反映了在加工温度下共混材料熔体受双螺杆剪切混合时表现出来的流动性能, 从图1中对比可以看出WF基共混材料的黏度和扭矩都要高于AWF基共混材料。这是由于木粉自身刚性较大,在挤出过程中需要较大的剪切能量,挤出时容易产生堆积使流动性较 差,表现为加工过程中的黏度较大。木粉通过乙酰 化处理后 内部的氢键作用减弱,其与LDPE共混时更易分散均匀,两相之间共混缠绕更加紧密,加工流动性得到了提高。同时还发 现随着共混材料中AWF含量的增大,挤出仪中的加工黏度和扭矩逐步升高,由于木质纤维的热流动性较差,其加工性能不及LDPE,随着AWF含量的增大,LDPE对其包覆不够,共混分散不均使黏度和扭矩都增大。

图1 LDPE基共混材料 扭矩变化

图2 PLA 基共混材料 扭矩变化

从图2可以看出,相同质量比例的AWF基共混材料的加工黏度比WF基共混材料要小,但两者的扭矩相 差不大。由于PLA在加工温度下黏度很小,WF和AWF的加入对 材料的黏度影响较大,WF/PLA材料的黏度比AWF/PLA材料高出16.2%。随着材料中AWF含量的增 大,两相间的 分散程度变差,共混材料 的加工黏 度和扭矩 呈增大的 趋势,这与LDPE基共混材料有相似的结果,但扭矩的变化相对较小。

2.2共混材料动态热机械性能分析

图3、4分别为不同组分比例的LDPE基复合材料的储能模量和Tanδ与温度的关系图。从图3中看出AWF/LDPE材料的储能模量要明显低于WF/LDPE材料,随着温度 不断升高,材料的储能模量逐渐减小。由于木粉自身刚性较强,将其加入到柔性相对更高的LDPE中,使得材料整体的柔性降低, 储能模量升高。木粉通过乙酰化改性后,其内部的 氢键作用 减弱,羟基的减少使AWF的塑性有所提高,AWF加入LDPE后对其柔性的影响更小。在交变应力的作用下LDPE分子链的运动受到的阻碍更小,相比WF/LDPE材料的储 能模量要 更低。同时可看出随着AWF含量的升高,材料的储能模量逐渐增大,这是因为AWF的刚性比LDPE强,其含量越高材料整体的刚性越强。从图4中可看出AWF/LDPE材料的Tanδ 峰值对应的温度和WF/LDPE材料相差不大。

图3 LDPE基共混 温度的关系

图4 LDPE基共混 温度的关系

图5、6分别为不同组分的PLA基复合材 料的储能 模量和Tanδ与温度的关系图。从图5可看出在PLA的玻璃态温度区间内,WF/PLA材料的储 能模量远 高于AWF/PLA材料,在该温度区间材 料的分子 链被冻结,主要体现 材料的弹 性。但随着温度逐渐升至橡胶态区间,材料的粘性逐 渐占据主导地位,储能模量减小。温度达到PLA的玻璃化转变温度后,WF和AWF对PLA链段运动的影响逐渐减小,两种材料的储能模量下降至几乎相当。由图5可看出不同质量比例的AWF/PLA材料的储能模量相差不 大,从图6中发现随 着共混材料中AWF含量的增加,Tanδ峰值减小,说明随着AWF含量的增加,材料的损耗模量减小。同时可看出整个 组分系列的材料都表现出单一的玻璃化转变温度,Tanδ峰值对应的松弛温度的变化并不明显,维持在66℃附近,与纯PLA的玻璃化转变温度基本一致,这表明在交变力学负载下主要反映了PLA基共混材料中PLA的链段运动特性。

2.3共混材料差示扫描量热分析

图7为PLA基共混材料的DSC曲线。由图可知,材料在66℃附近出现了PLA的玻璃化 转变,3种共混材 料的Tg基本一致,说明WF及AWF的加入并没有对PLA分子链段的玻璃化转变有很大 的影响,这与DMA的分析结 果一致。但DSC的图谱显示WF/PLA共混材料的二次加热过程中在100 ~125℃之间出现了很明显的 放热峰,这是因为PLA是半结晶型聚合物,木质纤维加入后使PLA的柔性有 所降低,在受热冷却的过程中没有足够的时间 使PLA完善结晶。而在下一次加热升温时,分子链受热发生运动,进一步排入 晶格,出现冷结晶峰。同时比较可看出添加AWF后材料的冷晶峰有显著的缩减,WF/PLA与AWF/PLA材料的冷结晶焓分别为7.45J/g,3.44J/g,前者冷结晶 放出的热 量是后者 的2.2倍。 这一方面是因为木粉通过乙酰化处理后引入酯基,羟基的减少使其界面的极性发生极大改变,对PLA分子的运动阻碍更小,同时对PLA结晶部分的链 段排布影 响也更小,使AWF/ PLA材料的冷结晶峰更小,冷结晶焓也更低;另一方面是由于AWF与柔性的PLA分散缠绕更加充分,相比于WF/PLA材料界面扩散性更好,从而对PLA结晶过程中晶格的完善影响更小。随着温度的升高,WF/PLA材料和AWF/PLA材料在140℃后出现了熔融峰,两种材料的熔融焓分别为8.33J/g和4.56J/g。由于WF中的氢键作用及其较强的刚性,使得PLA分子或链段离开晶格时受到更大的阻力,从而需要吸收更多的能量发生熔融,表现为熔融焓的升高。从图7中还可看出, 随着AWF含量的降低,材料的冷 结晶峰和 熔融峰进 一步减小,这是PLA在材料内的主导作用逐步体现的结果[8]。

2.4共混材料热重分析

图8为LDPE基共混材料的热重曲线。由图看出该系列共混材料的失重过程主要分为2个阶段,第1阶段主要 是共混材料中木质纤维的热分解过程[9];第2阶段为LDPE的热分解过程。对比可看出WF/LDPE和AWF/LDPE材料热解的主要差别体现在第1阶段,前者的起始热分解温度及最 大热分解温度都要高于后者,这是由于通过乙酰化处理之后木 粉的热稳定性提高,起始热分解温度和最大热解温度分别提 高了近43℃和15℃,这使得由AWF制备的复合材料热解向更高的温度推移,材料的热稳定性得到了提高。

图9为PLA基复合材 料的热重 曲线。从图中可 以看出该系列材料的热失重过程主要集中在300~400℃范围内,通过图中反映的信息可看出无论是起始分解温度还是最大分解温度,AWF/PLA材料都要 高于WF/PLA材料。纯PLA的最大热解温 度在312℃ 左右[10],WF和AWF的加入使PLA的热解向高温方向推移。同时AWF/PLA材料的最大热解温度要高出WF/PLA材料近22℃,木粉通过 乙酰化改 性处理后,热稳定性得到了提高,同时其刚性降低,与PLA共混时两相之间捏合更 紧密,使PLA的热解向 高温推移,使AWF/ PLA材料的热稳定性得到提高。

3结论

通过对木粉进行乙酰化改性处理,利用其制 备复合材 料的过程中发现AWF基共混材料相比WF基共混材料具有更低的加工黏度和扭矩,说明前者具有更好的加工性能。DMA测试结果显示AWF基共混材 料相比具 有更低的 储能模量, WF和AWF的加入对塑料基体分子的链段运动有一定的影响,但对PLA的玻璃化 转变温度 影响不大。DSC结果显示WF/PLA材料在加热过程中出现了很明显的冷结晶峰,其冷结晶焓和熔融焓也比AWF/PLA材料要高,说明乙酰化改性改变了PLA与木粉材料的作用方式。热重分析表明由AWF制备的共混材料的起始分解温度和最大分解温度都向高温方向推移,说明材料的热稳定性得到了提高。

参考文献

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