第四章-材料的热学性能...pptxVIP

《材料物理》第三章 材料的热学性能;提纲;材料各种热学性能均与晶格热振动有关 1、晶格热振动 晶体点阵中的质点（原子或离 子）总是围绕着平衡位置作微 小振动，称为晶体热振动 温度体现了晶格热振动的剧烈程度，相同条件下，晶格振动越剧烈，温度越高 2、格波 材料中所有质点的晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种存在于晶格中的波叫做格波 格波是多频率振动的组合波 ;振动在晶体中的传播——波;;;晶格振动的能量及声子的概念;一维双原子晶格的热振动;;;量子??学中，某一质点的能量为 h：普朗克常数，用以描述量子大小， 值为6.6260693×10-34J·s 。 格波的能量同样也是量子化的，声频支格波的量子（最小能量单位）叫声子（Phonon） 把格波的传播看成是声子的运动 格波与物质的相互作用→声子和物质的碰撞 格波在晶体中传播时遇到的散射→声子同晶体中质点的碰撞 理想晶体中热阻（表征材料对热传导的阻隔能力）→声子-声子的碰撞 ;材料从周围环境中吸收热量，晶格热振动加剧，温度升高 定义：物质分子或原子热运动的能量Q随温度T的变化率，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力 平均热容：是指物质从T1温度到T2温度所吸收的热量的平均值 热容是物系的容量性质，与物质的量有关： 比热：单位质量的热容， J?K-1?Kg-1 。 摩尔热容：1mol物质的热容，J?K-1?mol-1;热容是一个过程量，与热过程有关 对于固体材料 低温时，Cp≈Cv 高温时，两者相差较多，且CpCv 定压加热时，物体除升高温度外，还会对外做功，因此需要吸收更多热量 ;经验定律 （1）元素热容定律：杜隆-珀蒂(Dulong-Petit)定律 定压下元素原子的摩尔热容Cv=3R≈25 J.K-1.mol-1 成功之处：高温下与试验结果基本符合 （2）化合物热容定律：柯普定律 Cv=∑niCi ;经典热容理论;量子化的晶格振动能量 波尔兹曼统计理论 角频率以ρ(ω)分布 ;爱因斯坦模型的热容量;金刚石热容;德拜模型;;;;关于得拜模型的补充;实际材料的热容量;热容的本质;;;（3）陶瓷材料的热容;一级相变二级相变;;;4.3 材料的热膨胀;线（体）膨胀系数 温度升高1K时，物体的长度（体积）增加率 线膨胀系数与体膨胀系数的关系 对于各向同性的物体，αV = 3αl 对于各向异性的晶体，αV = αa+ αb+ αc 式中：a、b、c分别为三晶轴方向的线膨胀系数。 ;一些无机材料的热膨胀系数随温度变化曲线 固体材料的αT值并不是常数，而随温度变化 无机非金属材料：一般较小，约为10-6K-1。 各种金属和合金:0-100℃的线膨胀系数约为10-5K-1 ， 钢:多在(10-20)*10-6K-1范围;4.3.2 固体材料热膨胀机理;热膨胀微观机理——1;;热膨胀微观机理——2;4.3.3 热膨胀和其他性能的关系;?l 、 Cv与温度有相似的规律 吸收能量 晶格振动加剧 温度升高 ;Al2O3的热容与热膨胀系数在宽温度区间内的变化趋势相近;热膨胀和结合能、熔点的关系;热膨胀和结构的关系;（b）晶型转变 温度变化时，发生晶型转变，也会引起体积变化 ;;4.3.4 多相及复合材料的热膨胀系数;4.4 材料的热传导;4.4.1 固体材料热传导的宏观规律;;4.4.2 材料热传导的微观机理;（1）金属的热传导;Wiedemann-Franz定律;;a) 声子和声子热导 热传导过程----声子从高浓度区域到低浓度区域的 扩散过程。 热阻：声子扩散过程中的各种散射 ;影响声子的平均自由程的因素;;在一定的温度下，物体能辐射出一定频率的射线且温度越高辐射的能量越大，同样也能吸收周围物体辐射的射线。热稳定状态下，辐射和吸收的能量相等，没有能量转移 在非热稳定状态下，高温体积元辐射的能量被低温体积元吸收，同时吸收低温体积元介质辐射的能量。这样高温体积元的能量减少，而低温体积元介质能量增加。 结果：能量从高温体积元传向低温体积元;;4.4.3 影响热导率的因素;;（2）影响无机非金属材料热导率的因素;1/l-T;;b)化学组成的影响 线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：晶格偏离谐振程度越大，热阻越大，热传导系数越小 单质具有较大的导热系数 金刚石的热传导系数比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片，GaAs激光器做在上面，能输出大功率 较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具有较高的热传导系数，如: BeO、SiC ;;;;;单晶vs.多晶;非晶体的热导率 可以把玻璃看作直径为几个