材料物理第2章3.ppt

第二章 材料的热学 张萌 引言 重点对材料的热膨胀、热容量和导热性进行讨论 强调每一项性能与材料原子结构间的关系 材料的膨胀性能和导热性在精密仪表、电子技术、低温技术和航空航天中作为特殊功能材料均有重要作用 材料的组织结构、状态发生变化时，常伴随产生一定的热效应 材料热性能研究的意义 在空间科学技术中的应用: 航天飞行器，涡轮发动机叶片,电真空封装材料， 在能源科学技术中的应用: 太阳能, 工业炉衬，航天飞行器，建筑材料,保温玻璃 在电子技术和计算机技术中的应用: 热驱动材料,集成电路基片等 导热系数 (λ)、比热 ( Cv或 Cp) 、热扩散系数 (a)、热发射率 (ε)、热膨胀系数 ( α) 和粘度 ( η) 等是热计算和热设计的关键参数，也是研制、评价和优选所用隔热和防热材料的主要技术依据。 如：空间飞行时 飞行器的头部是承受最高温度和最大热流的部位，其表面温度最高可达 5000 ℃ ，解决此 “ 热障 ” 的方法有：辐射防热、烧蚀 ( 发汗 ) 防热、吸收 ( 热沉 ) 防热温控涂层。取决于防热系统材料的热性能。 辐射防热：利用材料表面的热辐射性能的特殊防热方式，要求材料表面热发射率高，关键参数是：材料表面的热发射率。 吸收防热：利用材料本身的具有较大的比热容和导热系数，以便将热量尽多地吸收或导出。关键性能参数：材料的比热容和导热系数。 烧蚀防热：要求协调各方面的性能参数，如：高的热发射率，以便让头部表面散失更多的热量；尽可能高的热容和尽可低的导温系数，以让头部吸收更多的热量而又不至于升温过快；尽可能小的导热系数，头部表面的热量就难以传递到内壁；头部材料与基体材料之间的热应力尽可能小，两者间的膨胀系数尽可能地匹配。 温控涂层：解决飞行器工作室中温度差过大的不足，使其能正常工作。其原理主要是通过涂层的热辐射性能来调节实现。 基本概念（1） 固体材料由晶体或非晶体组成，晶体点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置作微小振动，这种振动称为晶格热振动。 向固体提供热量，原子平均热能增加，其中： 约一半热能用于提高原子的势能， 另一半热能提高动能，即振动 原子振动与温度： 温度不高：原子在格点平衡位置附近微小振动 温度升高：部分原子离开平衡位置，产生扩散 温度再高：绝大多数原子做剧烈运动，破坏周期性，固体熔化 我们的重点在温度不高的情况下 基本概念（2） 晶格振动：原子在平衡位置附近的振动，产生振动波 格波：晶格振动以波的形式在具体中传播 声子：晶格振动的能量是量子化的，用声子描述 声子在固体中传播，能量Eph与原子振动的波长λ有关系： Eph =hc/λ=hν ν 是振动频率 原子的这种振动使固体材料表现出热容、热膨胀、热传导等性能，是理解材料热学性能的基础 原子的振动很复杂，处理方法是把复杂的振动分解为若干独立振动模式的叠加 热容与晶格振动的简谐项有关 热膨胀和热传导与晶格振动的非简谐项有关 2.1.1 晶格的热振动 材料的各种热性能的物理本质，均与晶格热振动有关 晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着平衡位置作微小振动，称为晶格热振动 晶格热振动→格波（声频、光频） 格波：晶格振动所形成的弹性波 （质点间存在相互作用力导致多频率振动的组合波） 声频支振动：相邻质点间位相差不大，类似于 弹性体中的应变波。低频率的格波。 光频支振动：格波中频率甚高的振动波。 （频率在红外光区，特点是临近质点的运动几乎相反) 2.1.2 固体的热容 材料从周围环境中吸收热量的行为，数值上为使材料升高一个温度单位所需的能量 在热力学中 （晶格热振动）晶格热容 固体的热容 (电子的热运动) 电子热容 热容的基本概念 热容定义: 热容是使材料温度升高1k所需的热量。 C = ΔQ/ΔT (与质量,组成,过程, 温度T有关) 它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。 热容是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量。材料在温度上升或下降时要吸热或放热。 热容的分类 比热容：单位质量的热容 物体的质量不同，热容不同 平均热容 某一温度下的热容称为真热容。 （因为热容是随温度而变化的） 平均热容是指物质从温度T1到T2 所吸收的热量的平均值： 摩尔热容 摩尔物质的热容 物体的热容还与它的热过程有关 恒压热容 加热过程是恒压条件下进行时所测定的热容。 恒容热容 加热过程中保持物体容积不变时所测定的热容。 恒压热容与恒容热容的比较 （1）由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界