材料熱力學的案例
材料強度預報的熱力學理論 附材料熱力學郝士明下載
隨著新材料的大量涌現，經驗型的強度準則層出不窮，作者認為可以利用熱力學狀態失穩性判據發展統一的強度評價方法和準則，很可能改變工程中長期采用的結構安全性設計和評估的規范和方法。
進一步的研究也發現，基于局域本構方程的傳統連續介質力學的方法很難對于變形局域化的行為進行正確的預報，而基于作者發展的連續統熱力學的方法，不需要針對不同的材料建立其本構方程，而只需利用變形過程中能量驅動力和阻力就可以實現對其在外載作用下變形局域化的行為進行準確的預報。利用金屬長桿在拉伸載荷作用下變形的頸縮行為作為例子，通過引進金屬材料的塑性耗散能可以準確地預報出這一現象，不需要利用材料的本構方程。
該項研究得到了國家自然科學基金項目（Grant Nos. 11832019，11472313，13572355）資助。
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展開 想了解材料熱動力學？請收好這篇小綜述
圖1 一些自組織現象
目前，熱動力學不再僅僅是研究熱現象基本規律的科學，它和系統理論、非線性科學、生命科學、宇宙起源等密切相關，其應用涉及物理學、化學、生物、工程技術，以及宇宙學和社會學科[1]。
2.材料熱力學的形成和發展
現代材料科學的進步和發展一直受到熱力學的支撐和幫助，材料熱力學是經典熱力學與統計熱力學理論在材料科學領域的應用，其形成和發展正是材料科學走向成熟的標志之一。
從1876年Gibbs相律的出現，1899年H. Roozeboom把相律應用到多組元系統，1900年，Roberts-Austen構建了Fe-Fe3C相圖的最初形式，為鋼鐵材料的研究提供了理論支撐；再到20世紀初，G. Tamman等通過實驗建立了大量金屬系相圖，有力推地動了合金材料的開發；50年代初R. Kikuchi提出了關于熵描述的現代統計理論，為熱力學理論和第一性原理結合起來創造了條件；60年代初M. Hillert等對于非平衡系統熱力學的研究，導致了失穩分解領域的出現，豐富了材料組織形成規律的認識；70年代由L. Kaufman、M. Hillert等倡導的相圖熱力學計算（CALPHAD），使材料研究逐漸進入到根據實際需要進行材料設計的時代[2]。
展開 熱力學計算在材料科研中可以有哪些用途 了解一下？
熱力學是材料科學與工程領域不可或缺的組成部分之一。成功的材料與加工工藝設計都需要可靠的熱力學數據。以往，材料的熱力學性能主要通過實驗手段獲得，例如 差熱分析，化學分析，X射線衍射和能譜分析。但是隨著科學技術的不斷進步，材料中的組元數越來越多，實驗測定熱力學數據也越來越困難，并且難以在有限的時間里獲得足夠的數據。基于CALPHAD方法的熱力學計算正是解決這一難題的最好辦法。它可以從低組分材料體系的熱力學數據來計算多組分體系的熱力學性能以節約時間和成本，或者通過實驗容易準確測定的實驗數據來推測極端條件下（高溫、高壓和放射性等）或者實驗難以準確測定的熱力學數據。
CALPHAD方法基于熱力學理論，根據各個組成相（包括氣相，液相，固溶體和化合物）的晶體結構建立熱力學模型，通過評估篩選一定溫度壓力下的多元材料體系的實驗及理論計算（包括第一性原理計算、統計學方法和經驗、半經驗公式）數據，擬合優化模型參數，確定體系中每一個相吉布斯（Gibbs）自由能，并最終建立多元多組分材料體系熱力學數據庫。 圖1為CALPHAD方法流程示意圖。CALPHAD方法是目前唯一可以計算多元體系熱力學性質并能滿足實際應用精度要求的熱力學計算方法。它還是材料動力學、微觀結構演變模擬的熱力學基礎。因此，CALPHAD方法廣泛地應用于新材料研制和新工藝的設計之中。
圖1為CALPHAD方法流程示意圖 [1]
本文將介紹CALPHAD方法在傳統合金合金設計，高熵合金的開發, 3D打印，鋰離子電池領域的應用
1. 傳統合金合金開發
金屬間化合物NiAl在高溫合金領域極具應用前景，但是較差的延展性極大地限制了其應用。Kainuma等人[2]利用CALPHAD方法和實驗確定的Ni-Al-Fe體系的相圖(圖2a)，確定了NiAl、Ni 固溶體和Ni3Al相的組分區間。
展開 纖維材料的熱力學三態
研究紡織材料在不同溫度下內部結構和性質的變化規律，對其合理加工和正確使用有重要意義。纖維性質在溫度轉變點前后表現有明顯不同，用不同的溫度轉變點來表征。從研究的內容看主要有熱力學性質、熱定形、熱破壞等。
熱力學性質，是指在溫度的變化過程中，紡織材料的力學性質隨之變化的特性。絕大多數纖維材料的內部結構呈兩相結構，即晶相（結晶區）和非晶相（無定形區）共存。對于晶相的結晶區，在熱的作用下其熱力學狀態有兩種：一種是熔融后的結晶態，其力學特征表現為剛性體，且具有強力高、伸長小、模量大的特性；另一種是熔融后的熔融態，其力學特征表現為黏性流動體。兩者可以用熔點來區分。對于非晶相的無定形區，在熱的作用下其熱力學狀態有脆折態、 玻璃態、高彈態和黏流態，分別按變形能力的大小采用脆折轉變溫度、玻璃化轉變溫度、黏流轉變溫度來劃分。
一、纖維材料的熱力學三態
對于線型高聚物，材料非晶相的黏流轉變溫度和結晶的熔點常互相重合，很難區分，所以測量纖維的熱力學性質時首先表現出來的變化是非晶相的變化，其典型曲線發圖1所示
圖1 纖維材料的典型熱力學曲線
圖1是在恒應力條件下纖維的變形能力（實線）和拉伸模量（虛線）隨溫度變化的過程，其轉折點分別為玻璃化轉變溫度Tg, 和黏流轉變溫Tf, 且轉變溫度都有一個區段，這是非晶態高聚物所物有的力學三態特征。其中，多數合成纖維的力學三態特征比較明顯，而天然纖維（棉、麻、毛、絲）及再生纖維素纖維等在某些升溫速率下（高溫時）不呈現比較明顯和黏流態特征，而直接分解、炭化。
展開 
PVT曲線：預測高分子材料收縮與翹曲的“熱力學密碼”
在高分子材料的廣闊領域中，PVT 曲線作為一種關鍵的研究工具，正逐漸展現出其不可忽視的重要性。PVT 曲線，即聚合物材料的壓力（Pressure）、體積（Volume）和溫度（Temperature）之間的關系曲線，它如同一個微觀世界的解碼器，為我們揭示了高分子材料在不同條件下的物理行為奧秘，對高分子材料的研發、加工以及產品質量控制都起著舉足輕重的作用。
一
高分子材料的獨特 “指紋”
（一）PVT 關系的本質
聚合物的 PVT 關系，是其自身固有的基本物理特性之一，描述了材料體積隨溫度和壓力變化的規律。對于一定量的塑膠材料而言，壓力、體積和溫度這三個參數相互關聯，構成了一種狀態函數關系。也就是說，當其中任意兩個參數確定時，第三個參數也就隨之確定，且這一關系只取決于材料的最終狀態，與達到該狀態的過程無關。這種內在聯系，如同材料的獨特 “指紋”，反映了高分子材料在不同熱力學條件下的本質特征。
從微觀角度來看，高分子材料是由大量的高分子鏈組成。溫度的變化會影響高分子鏈的熱運動，當溫度升高時，分子熱運動加劇，分子間的距離增大，從而導致材料的體積膨脹；反之，溫度降低，分子熱運動減弱，體積收縮。而壓力的作用則是對分子間的距離進行 “擠壓” 或 “釋放”，增加壓力會使分子間距離減小，材料體積縮小；降低壓力，分子間距離又會增大，體積相應增大 。例如，在高溫環境下，原本緊密排列的高分子鏈會因熱運動變得活躍，彼此之間的距離拉開，材料的體積隨之增大；若此時施加壓力，又能將這些 “活躍” 的分子鏈重新 “壓縮” 到相對緊密的狀態，減小體積。
（二）PVT 曲線的類型
根據材料的結晶特性，PVT 曲線主要分為無定形材料和結晶型（包括半結晶型）材料兩種典型類型。
展開 ：通過構筑熱力學不穩定性和動力學穩定性實現彈性體修復后變強
熱處理并修復后a)不同溫度下材料應力松弛曲線、b)相應的松弛時間以及c)用阿倫尼烏斯擬合松弛時間后得到的活化能；d) 復合模型擬合的應力應變曲線。
總結：作者利用離聚物以及聚電解質類材料的熱力學不穩定的特質，從分子設計上引入大位阻，制備了在常溫下動力學穩定但熱力學不穩定的材料。當動力學穩定性被熱或者力刺激破壞后，熱力學不穩定性使得材料中未配對的離子進行配對進而形成更多更大的聚集體，這些聚集體作為更強的物理交聯點賦予材料更強的力學性能。從而真正實現了像生物材料一樣的超量恢復行為。
該工作被發表在Materials Horizons雜志上（Materials Horizons, 2021, DOI: 10.1039/D1MH00638J），第一作者為博士生彭燕，通訊作者為吳錦榮教授。該工作由國家自然科學基金（51873110）和四川省科技計劃項目（2021JDJQ0018）。
原文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh00638j#!divAbstract
展開 從經典熱力學到CALPHAD和ICME方法 材料設計和開發時代已經離我們越來越近
從石器時代到青銅、鐵器時代，再到當今的硅時代，材料一直推動著科學技術的進步和人類文明的發展。新材料的發現和改性逐漸由反復的試驗探索發展到基于熱力學和動力學的材料設計方法。目前，國內外材料設計和開發通常采用經典熱力學（Classical Thermodynamics）、CALPHAD（Calculation of Phase Diagrams）模擬和集成計算材料工程（ICME，Integrated Computational Materials Engineering）三種方法。
經典熱力學理論討論特定的 “孤立” 系統，對材料設計和改善提供定性理論指導。幾十年來，基于經典熱力學的相變形核理論一直是合金開發的基礎，例如，利用形核理論來選擇合適的微合金化元素，以此來改善基體的機械性能。形核理論最初由 Volmer 、 Weber 等人在氣相研究中提出，Turnbull 、Fisher將其應用到凝聚系統的均質形核，后來引入f（θ）函數修正后擴展到異質形核，該理論包括：
其中，N 為形核率，γ 為界面能，θ 為潤濕角，ΔGV 為單位體積自由能差，ΔGV 只與固、液相的摩爾自由能有關，但在實際溶液中由于過量自由能的存在使得它對大多數合金不適用， Youdelis 等人研究得出，對于正規溶液模型，當過冷度 ΔT 較小時，ΔGV ≈ - ΔSV ΔT， ΔSV 是系統的熵變， ΔS=ΔSF+ΔSM，
其中，x為摩爾分數，S為純固、液相的摩爾熵，R為氣體常數。
最近，橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的Ying Yang等人通過傳統經濟的鑄錠冶金方法開發出一種新型的Cu基Cu-Cr-Nb-Zr合金[1]。
展開 使用ANSYS Workbench進行茶壺的熱力學分析
使用ANSYS Workbench進行茶壺的熱力學分析
李安民
Thermal Analysis of Teapot using ANSYS Workbench
Julian Lee
摘要：使用穩態分析裝滿開水的茶壺的熱分布和熱流量，對比陶瓷材料和鋼材作茶壺材料的熱力學特性。使用瞬態分析模擬水降溫過程，得到溫度分布和熱流量，瞬態分析同樣使用兩種材料進行對比分析。
關鍵字：仿真；有限元；ANSYS Workbench；熱力學分析
分析視頻教程將在2023年3月23日19:30在技術鄰進行直播，歡迎前來觀看以及和作者討論。
本教程使用了ANSYS 2023和ANSYS2022，兩個版本在本教程范圍內操作完全相同。
1 穩態分析（Stead-State Thermal）
1.1 陶瓷材料（Porcelain）
1. 打開ANSYS Workbench，建立Steady State Thermal System
雙擊Toolbox中的Steady-State Thermal或者將其拖到Project Schematic中，如下圖所示：
2. 定義鋼材和陶瓷的本構模型，鋼材的本構模型默認存在，從Thermal Material添加Porcelain。
雙擊第2行Engineering Data，在Engineering Data選項卡中點擊Engineering Data Sources。在Engineering Data Sources表中選擇序號為12的Thermal Materials選項，然后在其下Outline of Thermal Material中選擇43號Porcelain。
陶瓷的比熱容（Thermal Conductivity）為5W/(m?℃)，點擊B列的加號，在C列出現紫色書的圖標，表示材料在待用材料冊中。
展開 Matlab近場動力學（PD）原代碼：涵蓋BB/OSB、熱力耦合、復合材料及PD-FEM耦合 ￥139
一套深度集成、功能豐富的 Matlab 近場動力學（Peridynamics）原代碼合集。代碼不僅復現了PD領域的經典文獻算例（彈性問題驗證），更進一步拓展到了熱力學、復合材料及跨尺度耦合算法。適合作為研究生的科研底座、畢業設計參考或PD算法的深度進階學習資料。
基礎理論實現：
鍵基 PD (BBPD)：最經典的鍵基模型，適用于脆性材料破壞分析。
常規態基 PD (OSBPD)：解決鍵基模型泊松比固定的局限性，支持任意彈性常數設置。
多場耦合模擬：
熱力耦合（Static/Dynamic）：包含熱傳導與機械變形的相互作用，支持靜力和動力兩種求解方案。
復合材料建模：
提供單層板及復合層合板的靜/動力學模擬代碼，支持不同鋪層角度與各向異性屬性定義。
跨尺度耦合算法 (Hybrid Modeling)：
PD-FEM 有限元耦合：實現 PD 區域（處理破壞）與 FEM 區域（提高計算效率）的無縫銜接。
耦合熱傳導分析：針對復雜結構的熱傳導問題，平衡計算精度與速度。
展開 直播預告 | MSC Nastran復合材料熱分析及熱機耦合分析
精彩直播預告
復合材料憑借輕質、高強度、優異的抗疲勞性能和復雜外形成型能力，在航空航天、汽車等工業領域應用廣泛。然而，其各向異性特性在高溫環境（如氣動加熱、發動機熱載荷、太空極端溫度循環）下帶來嚴峻挑戰：熱膨脹不協調、熱應力集中、層間失效風險陡增。
傳統分析方法難以精確模擬此類材料復雜的各向異性熱傳導和非線性熱力耦合行為，往往導致設計過度保守、試驗成本高昂且失效風險難以有效控制。因此，如何精準預測復合材料在熱載荷作用下的變形與應力分布，成為提升其可靠性的核心難題。
熱傳遞的4個類型
為應對這一挑戰，海克斯康工業軟件旗下的有限元結構分析軟件MSC Nastran在復合材料熱分析及熱-力耦合分析領域表現卓越。MSC Nastran憑借其在熱傳導模擬、熱-力耦合分析、性能失效評估等方面的強大能力，將有效突破復合材料熱力學分析的瓶頸，助力提升設計精度與產品可靠性。
本期直播講堂請到了海克斯康結構仿真軟件應用專家李坤鵬，在直播間中講師將重點講解MSC Nastran在復合材料熱分析及熱機耦合分析方面的各項功能，并以多個應用案例展示其在解決復合材料熱力學分析難題的創新之處。敬請關注！
直播報名
8月21日 14:00
▲ 掃碼參與報名
立即預定
直播內容聚焦
? 熱傳導模擬：精準預測復合材料結構內部溫度場分布
? 熱-力耦合分析：高效求解溫度梯度引發的熱應力與熱變形
? 性能與失效評估：識別熱環境下的潛在高風險區域
李坤鵬
海克斯康結構仿真軟件應用專家
精通結構有限元分析，有豐富的工程項目經驗，參與完成的重大項目包括：飛機適航強度分析、貨機改裝強度分析、復雜電機傳動產品失效分析與對標。
展開 有限元程序-熱力耦合彈性動力學 ￥19.89
摘要
熱力耦合的應用在科學技術中有重要的意義。熱應力和它所引起的強度、剛度問題，在航空、航天和核反應堆工程的設備和構件上的重要性是不言而喻的。所以我們要對其進行研究和求解。
本文采用線性有限元建模技術對熱環境下的梁結構建模，求解一個線性熱彈性問題。在熱彈性狀態下，溫度場與機械場不耦合，而機械場取決于溫度，因為熱彈性本構關系中存在熱應變。這種情況可以描述為弱熱力耦合。本報告將討論瞬態演化問題的完全熱力耦合。在給出溫度場的基礎上，給定彈性力學的邊界條件和初始條件后求解熱彈性運動微分方程，得到熱位移場。然后，再由溫度場和熱位移場，根據應力、應變和溫度關系的本構方程，求出熱應力 場。通過分析得出，由于左右橫向邊界ΔT=+50 的均勻溫升，隨著溫度的增加機械場中的形變量增大，進而使應力增加。
關鍵詞 耦合熱彈性;線性有限元建模;本構方程
1.1課題背景
隨著人類文明的進步和科學技術的迅速發展，傳統的單一功能材料已經不能滿足科學技術和工程實際的需求。20 世紀以來，許多高性能的新型材料開始
扮演著越來越重要的角色。它們具有輕質、高強、耐久、智能等多重優點而 且，一般而言，材料和結構通常都是在高溫和有限制的環境中使用，在這種
情況下必須考慮材料和結構的熱力學性能。顯然，對這類材料和結構的研究不能完全套用經典的連續介質力學理論，而需要發展相關的理論來合理描述材料的力學性能。
熱彈性力學的應用，在科學技術中有重要的意義。熱應力和它所引起的強度、剛度問題，在航空、航天和核反應堆工程的設備和構件上的重要性是不言而喻的。
展開 
abaqus熱力學
混凝土的各溫度下的應力應變本構關系以及損傷因子數據
熱力學分析
009熱力學分析
009熱力學分析.part1.rar
009熱力學分析.part2.rar
顛覆“熱力學第二定律”！
研究展示了負溫度下光子之間的熱力學過程，實現負溫度下熱量從低溫流向高溫，有望實現超過100%的卡諾效率。熱力學第二定律對所有熱機的熱效率進行了基本的限制。即使是理想的無摩擦發動機也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉換成工作，卡諾循環的效率必定小于1。如此，在負溫度下，這一切都將被顛覆，有望實現更高效的發動機。
相關成果以“Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions”為題發表于《Science》。
熱力學試驗臺示意圖
通過控制光子晶格，實現了21種模式的激發，并對其中的10種模式進行研究。作者觀測到正溫度和負溫度，并在實驗中驗證了理論預測。光經過非線性光纖進行四波混頻作用，可以模擬出正溫度和負溫度條件下，光子之間達到熱平衡的過程。由于系統中可用狀態的數量是有限的，觀測到的負溫度狀態是穩定的熱平衡狀態。
觀測正溫度和負溫度
該研究利用光學平臺模擬了負溫度下光子之間的等壓膨脹、等容壓縮、絕熱膨脹等過程，并且測量了每個過程中光子能量和體積（波長）的變化。等壓膨脹時，保持壓強不變，光子能量增加而體積減小；等容壓縮時，保持體積不變，光子能量減小。在負溫度區域，由于低溫系統比高溫系統具有更高的平均能量密度，熱量會從低溫流向高溫，這些現象與正溫度區域相反。這意味著，在負溫度區域運行一個類似于卡諾循環的過程，可以實現超過100%的卡諾效率。
展開 熱力學告訴你，如何給筆記本電腦降溫
結構了解了，那么如何幫它散熱呢，我們看熱量排出的整個過程，熱管、翅片這些內部結構的傳熱，我們很難改變，那你說可以把這些材料都換成導熱系數更高的準備搞科研的時候肯定更絲滑，但改裝需要高超的技術和高額費用。咱沒經費呀，上面的傳熱過程大抵只能這樣了，看下面風扇這部分，嘿嘿，一不小心到我的流體領域。
這部分是靠流動的空氣帶走熱量，那么流速就十分重要，我用流體仿真軟件AICFD粗略計算了一下，流速增大一倍，散熱翅片溫度就能降低35%。
看來增大流速的辦法可行，但筆記本內部零件咱都不好改裝，包括這個風扇，然而好就好在增大流速不只有改裝里面風扇這一條路，還可以在外面加Buff。
飛智牌壓風式散熱底座BS1，與筆記本內置風扇里應外合，增加過流風速，提升散熱效果。筆記本與散熱底座密封棉接觸形成密閉空間，底座的渦輪風扇抽取空氣增壓后從出風口排出，直接吹進電腦內部，增大過流風速。
讓筆記本高負荷工作，我們實測一下加散熱座前后流經電腦的風速變化。這臺筆記本出風口在側上方，我封住了縫隙，避免外部風干擾。不加散熱座時出風口風速約1.5m/s，加散熱座后風速約3.3m/s，然后同樣工作15分鐘，電腦溫度由46度降為了38度。
這種底座噪音都好大，但現在這就不得不說一下，飛智BS1的創新了，采用進口段增加遮罩、出口段增加曲面流道 理順氣流的方式進行了降噪處理，我們看看實驗結果：目前的噪音是59分貝，
下面拆除降噪設計，拆除曲面流道，拆除入口遮罩，噪音變成了65分貝，也就是說曲面流道和這遮罩將噪音降低了6分唄，降噪效果明顯。
另外，出口流道的設計使噪音最高頻率降低了250赫茲，頻率降低后也能讓人的感受更舒適些。
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