材料物理第三章材料热学-2017.pptVIP

3.4 材料的热传导 3.4 材料的热传导 Thermal barrier coating（TBC）热障涂层 TBC是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片) 能在高温下运行，并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60%以上。 3.3 材料的热膨胀 T0 T2 T3 能量曲线中能量最低位置为原子最近距离（键长） 曲线的宽度为原子热振动的幅度 曲线若对称，则原子的平均位置不随温度变化 热膨胀系数则近似为零 r0 3.3 材料的热膨胀 热膨胀的微观机理 晶格点阵做非简谐振动！？。 能量曲线为非对称，意味着原子的平均位置则随温度变化而变化，键长则变化，热膨胀系数则不为零。 注：简谐——热容；非简谐——热膨胀 3.3 材料的热膨胀 r0 1 2 A B T1 rr0 1 2 A B T2 T1 r0 1 2 A B T2 T1 简谐振动 非简谐振动 3.3 材料的热膨胀 级数展开 r = r0 +δ 平衡位置 伸长量 “0” 式中 3.3 材料的热膨胀 简谐近似： 抛物线——势能曲线对称，无热膨胀。 Boltzman统计 仅考虑二次项，奇函数积分为零，无热膨胀 平均位移 3.3 材料的热膨胀 考虑三次项： 相对位移对温度求导 由此可见，热膨胀系数是由非谐项决定的，仅仅考虑势能中的三次项，与温度无关。计入更高次项，则为温度的函数。 3.3 材料的热膨胀 实际材料的热膨胀 膨胀系数~T类似Cv~T 结构紧密的晶体比结构疏松的材料的热膨胀系数大 数 据 对 比 3.3 材料的热膨胀 负（小）热膨胀系数材料Small/Negative thermal expansion 因瓦合金 (Invar, Ni-Fe alloy) 是最著名的小热膨胀系数：α = 1.6×10-6 / K 号称金属之王，是精密仪器设备不可或缺的结构材料。 1896年，瑞士籍法国物理学家纪尧姆（C.E.Guialme）发现该成分的合金具有的这一特性：在常温下（-80~230℃）内表现出很小的热膨胀系数。 该发现也荣获1920年的物理学奖，在历史上他是第一位也是唯一的科学家因一项冶金学成果而获此殊荣。 3.3 材料的热膨胀 Invar解释： Fe-Fe磁交换中低磁矩/高磁矩的变化 D.G. Rancourt and M.-Z. Dang (1996). Relation between anomalous magneto-volume behaviour and magnetic frustration in Invar alloys. Physical Review B 54: 12225–12231. doi:10.1103/PhysRevB.54.12225 3.3 材料的热膨胀 还有一些材料可以在某一维方向上 α0，而在其它方向上 α 0。 特别，有些材料在三维方向上，其α0 ZrW2O8：从 2到1050K线性收缩； 通过复合可以，获得零膨胀系数的元件、部件（特别是在光学、机车部件） http://www.dur.ac.uk/john.evans/webpages/research_nteintro.html 3.3 材料的热膨胀 Small/Negative thermal expansion Invar (Ni-Fe alloy) is the most common low thermal exp material: α = 1.6*10-6 / degree Some materials have α0 in one dimension and 0 in others. It is possible, though not intuitive, for materials to have a negative thermal expansion in all dimensions. An increase in temperature causes the crystal to shrink. ZrW2O8: contracts continuously and linearly from 2 to 1050K Composites could allow zero thermal expansion components (superb for optics, engine parts, etc). http://www.dur.ac.uk/john.evans/webpages/research_nteintro.html