FH12材料的热学性能-1.ppt

材料性能学 付 华 石家庄铁道大学 第二部分 材料的物理性能 第12章 材料的热学性能 第13章 材料的磁学性能 第14章 材料的电学性能 第15章 材料的光学性能 第12章 材料的热学性能 12.1 晶体的 点阵（晶格）振动 12.2 热容 12.3 热膨胀 12.4 热传导 12.5 热稳定性 12.1 晶体的点阵振动 材料温度升高1k吸收的热量——热容； 单位质量材料的热容——比热容。 12.2 热容 （一）经典热容理论（固体） （一）经典热容理论（固体） 杜隆--珀替定律： 1819年法国 表12-1 轻元素的原子热容 德拜 Debye，Peter Joseph Wilhelm ： 德拜：荷兰-美国。 专业：电机工程，物理学博士 1916年德拜和谢乐一起推进布喇格父子的研究，固体粉末X射线衍射环； 认为大多数盐（氯化钠）是完全电离的； 1912年改进爱因斯坦的固体比热容公式 。 2. 德拜固体热容理论： θD德拜特征温度 当温度较高时，即TθD，CVm≈3R-----杜隆-珀替定律。 极低温下不完全符合事实： 二、影响热容的因素 晶体比热=晶格比热（CL)+电子比热(Ce）+相变比热 12.3 热膨胀 12.3.1 基本概念 无机材料 金属材料 12.3.4 热膨胀性能的应用 1．α的匹配（测试材料的α） 低膨胀系数材料： 因瓦合金 “Invar”(法语)：“不变钢”，俗称殷钢， Fe-Ni36%的特殊钢，膨胀系数极小，适合做测量元件。 标准尺、测温计、测距仪、钟表摆轮、块规、微波设备的谐振腔、重力仪、热双金属、光学仪器零件等 。 1896年，瑞士物理学家纪尧姆（C. E. Guillaume）发现。为此获得1920年的诺贝尔物理学奖，是历史上第一/唯一位因一项冶金学成果而获此殊荣的科学家。 可伐合金： kovar alloy 20世纪30年代出现。 铁镍钴：Ni 28.5-29.5％ ，Co 16.8-17.8％。 在20-450℃，膨胀曲线 与硬玻璃很吻合，容易焊接和熔接，使封接应力降到极小值，延展性 很好，可以轧成薄带，拉成细丝。 ?电真空元件，发射管，显像管， 开关管，晶体管、电子管、气体放电灯等 电极与玻璃的融合。 负热膨胀材料 : Cd(CN)2 和Zn(CN)2 AM2O8 (A=Zr4+, Hf4+; M=Mo6+, W6+) Y2(MoO4)3 热缩材料： 高分子形状记忆材料，聚乙烯、聚氯乙烯 热缩通讯/电力电缆附件、电子系统热缩套管、 热缩包覆片、复合绝缘热缩带等； 广泛应用于军事工业、电子工业、汽车工业、电力系统、通讯、石油化工工业等领域 。 * * 基本概念 物理本质 影响因素 测试方法 应用 功能材料 研究相变 与组织的手段 基本概念 物理本质 影响因素 测试方法 应用 物理本质： 声频支：低f 光频支：高f （红外光区） 晶格质点（原子/离子）的热振动（3维）→→以波（格波）的形式传播： 一、热容理论 （二）量子理论（固体热容） 2. 德拜（Debye）固体热容理论 1. 爱因斯坦模型 1. 杜隆--珀替定律（Dulong-Petit law ） 2.纽曼--柯普定律（Neumann-Kopp） 质点孤立热振动，能量连续变化，有任何频率的振动（声频支、光频支）。----分子动力学 单原子理想气体，1个自由度，只有动能： 用谐振子代表固体原子在平衡位置一个自由度的振动，且平均动能等于平均位能。 固体中一个原子有3个自由度，总能量3kt。 1mol固体中：E总=3Nkt N：阿佛加德罗常数； 1mol单原子固体物质的摩尔定容热容： Cv=3Nk=3R≈25J/mol/k 杜隆--珀替定律： 热容与温度无关，单原子为3R，双原子6R。 只适用于较高温度下； 低温下，固体热容与温度有关，Cv∝T3； 用量子理论解释。 20.4 22.6 22.5 15.9 20.9 16.7 7.5 11.3 9.6 Cp Cl S P Si F O C B H 元素 适用： 室温下：大多数金属和一些非金属； 高温下：B、Be、Si和金刚石； 不适用：轻元素 较高温度下固体化合物热容有加和性； “化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和” 纽曼----柯普定律（Neumann-Kopp） ： 300℃以上，大多数氧化物和硅酸盐化合物 的热容。 计算多相合金和复合材料的热容。 2.纽曼--柯普定律（Neumann-Kopp）