材料科學(xué)與技術(shù)講義材料的熱性質(zhì)與光性質(zhì)

1、第三節(jié)第三節(jié) 材料的熱性能材料的熱性能一、材料的熱容一、材料的熱容1、經(jīng)典熱容理論、經(jīng)典熱容理論2、愛(ài)因斯坦熱容模型、愛(ài)因斯坦熱容模型 3、德拜熱容模型、德拜熱容模型二、材料的熱膨脹二、材料的熱膨脹二、材料的熱膨脹二、材料的熱膨脹1、熱膨脹系數(shù)、熱膨脹系數(shù)所有材料都有熱脹冷縮性所有材料都有熱脹冷縮性平均線熱膨脹系數(shù)：平均線熱膨脹系數(shù)：)(121121TTlllTlll熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù):1l:2l溫度溫度 T1 時(shí)的試樣長(zhǎng)度；時(shí)的試樣長(zhǎng)度；溫度溫度 T2 時(shí)的試樣長(zhǎng)度時(shí)的試樣長(zhǎng)度平均體熱膨脹系數(shù)：平均體熱膨脹系數(shù)：)(121121TTVVVTVVV:1V:2V溫度溫度 T1 時(shí)的試樣體積；時(shí)

2、的試樣體積；溫度溫度 T2 時(shí)的試樣體積時(shí)的試樣體積熱膨脹系數(shù)一般是溫度的函數(shù)熱膨脹系數(shù)一般是溫度的函數(shù)線熱膨脹系數(shù)線熱膨脹系數(shù)和和體熱膨脹系數(shù)體熱膨脹系數(shù)2、熱膨脹的起因、熱膨脹的起因溫度溫度 T 時(shí)的線時(shí)的線熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)：溫度溫度 T 時(shí)的體時(shí)的體熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)是工程上重要的物理參數(shù)之一：熱膨脹系數(shù)是工程上重要的物理參數(shù)之一：ldTdlVdTdV許多材料的線熱膨脹系數(shù)是各相異性許多材料的線熱膨脹系數(shù)是各相異性各向同性材料（立方系）：各向同性材料（立方系）：3材料間的封接，真空系統(tǒng)中要求材料的熱膨脹系數(shù)材料間的封接，真空系統(tǒng)中要求材料的熱膨脹系數(shù)相近、否則易漏氣

3、；多晶、多相的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料相近、否則易漏氣；多晶、多相的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料中，各相、各方向膨脹系數(shù)的不同會(huì)引起熱應(yīng)力中，各相、各方向膨脹系數(shù)的不同會(huì)引起熱應(yīng)力熱膨脹的本質(zhì)：熱膨脹的本質(zhì)：原子平均距離隨溫度的增大原子平均距離隨溫度的增大adaVdVaV33起因于：起因于：原子間作用力隨距離原子間作用力隨距離非線性變化、原子的非線性變化、原子的振動(dòng)是非簡(jiǎn)諧振動(dòng)振動(dòng)是非簡(jiǎn)諧振動(dòng)0r距離距離 r力力)(rF引力引力斥力斥力合合力力平衡位置平衡位置 (合力為零合力為零)的的兩側(cè)合力曲線的斜率不等兩側(cè)合力曲線的斜率不等0r0rr)(rU0原子相互作用勢(shì)能曲線原子相互作用勢(shì)能曲線勢(shì)能曲線關(guān)于勢(shì)能曲線關(guān)于 處的

4、虛線不對(duì)稱處的虛線不對(duì)稱0r原子間作用力原子間作用力:0rr :0rr 作用力和勢(shì)能曲線的斜率較大；作用力和勢(shì)能曲線的斜率較大；作用力和勢(shì)能曲線的斜率較?。蛔饔昧蛣?shì)能曲線的斜率較小；03、影響熱膨脹因素、影響熱膨脹因素0rr)(rU0原子振動(dòng)時(shí)的平均距離原子振動(dòng)時(shí)的平均距離：0rr 溫度越高、振幅越大，原子在平溫度越高、振幅越大，原子在平衡位置兩側(cè)受力的不對(duì)稱越顯著，衡位置兩側(cè)受力的不對(duì)稱越顯著，新平衡位置右移越多、新平衡位置右移越多、 越大，越大，晶體膨脹越大。晶體膨脹越大。r溫度溫度 T、平均位置平均位置原子振原子振動(dòng)能量動(dòng)能量原子平均間距原子平均間距隨溫度的變化：隨溫度的變化：1T2T

5、3T4T熱膨脹與結(jié)構(gòu)有關(guān)：熱膨脹與結(jié)構(gòu)有關(guān)：:gTT 非晶材料屬液相結(jié)構(gòu)，材料的熱膨脹除起因非晶材料屬液相結(jié)構(gòu)，材料的熱膨脹除起因于原子間距的增大外、還與材料中的自由體于原子間距的增大外、還與材料中的自由體積（積（未被原子占據(jù)的空穴未被原子占據(jù)的空穴）的膨脹有關(guān)）的膨脹有關(guān)熱膨脹與原子結(jié)合鍵有關(guān)：熱膨脹與原子結(jié)合鍵有關(guān)： 結(jié)合鍵強(qiáng)、熱膨脹小結(jié)合鍵強(qiáng)、熱膨脹小離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合的材料：離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合的材料：熱膨脹??；熱膨脹小；以共價(jià)鍵和以共價(jià)鍵和范德瓦爾斯結(jié)合的聚合物范德瓦爾斯結(jié)合的聚合物：熱膨脹系數(shù)最大：熱膨脹系數(shù)最大金屬鍵：金屬鍵：具有中等的熱膨脹系數(shù)；具有中等的熱膨脹系數(shù)； 材料材料陶

6、瓷陶瓷金屬金屬聚合物聚合物)(1Co610155 . 061025561030050三、材料的導(dǎo)熱性三、材料的導(dǎo)熱性1、傅里葉導(dǎo)熱定律、傅里葉導(dǎo)熱定律1T2Tx材料溫度不均勻時(shí)，或兩溫度不同的物體相材料溫度不均勻時(shí)，或兩溫度不同的物體相接觸時(shí)，熱量自動(dòng)從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞接觸時(shí)，熱量自動(dòng)從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)：均勻金屬棒的兩端分均勻金屬棒的兩端分別與兩恒溫?zé)嵩唇佑|別與兩恒溫?zé)嵩唇佑|熱平衡時(shí)各處的溫?zé)崞胶鈺r(shí)各處的溫度不隨時(shí)間變化度不隨時(shí)間變化穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)熱流密度：熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)與熱傳導(dǎo)方向垂直的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與熱傳導(dǎo)方向垂直的單位面積的熱能單位面積的熱能通過(guò)金屬棒的熱流密度：通

7、過(guò)金屬棒的熱流密度：dxdTq負(fù)號(hào)：負(fù)號(hào)：熱能從高熱能從高溫向低溫傳遞溫向低溫傳遞dxdTq:熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率，)/(skmJ單位單位：or)/(kmW熱導(dǎo)率反映材料的導(dǎo)熱能力、不同材料的導(dǎo)熱能力差異很大熱導(dǎo)率反映材料的導(dǎo)熱能力、不同材料的導(dǎo)熱能力差異很大絕緣材料：絕緣材料：金屬：金屬：合金：合金：非金屬：非金屬：)/(41550kmW120127 . 017. 017. 003. 02、熱傳導(dǎo)機(jī)理（微觀機(jī)制）、熱傳導(dǎo)機(jī)理（微觀機(jī)制）固體的組成質(zhì)點(diǎn)只能在平衡位置附近作微小固體的組成質(zhì)點(diǎn)只能在平衡位置附近作微小振動(dòng)，不能像氣體依靠分子碰撞傳遞熱量振動(dòng)，不能像氣體依靠分子碰撞傳遞熱量固體導(dǎo)熱機(jī)制：固

8、體導(dǎo)熱機(jī)制：聲子（晶格振動(dòng)的晶格波）和自由電子聲子（晶格振動(dòng)的晶格波）和自由電子固體熱導(dǎo)率：固體熱導(dǎo)率：eph:ph:e聲子熱導(dǎo)率聲子熱導(dǎo)率電子熱導(dǎo)率電子熱導(dǎo)率eph非金屬材料：非金屬材料：以聲子導(dǎo)熱為主以聲子導(dǎo)熱為主純金屬：純金屬：phe以電子導(dǎo)熱為主以電子導(dǎo)熱為主合金：合金： 電子和聲子共同起作用電子和聲子共同起作用a、金屬的熱導(dǎo)率、金屬的熱導(dǎo)率金屬主要金屬主要熱載流子熱載流子 自由電子自由電子 （電載流子電載流子）熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率間的聯(lián)系：熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率間的聯(lián)系：不太低的溫度下不太低的溫度下TLe0/（Wiedemann Franz 首先發(fā)現(xiàn)）首先發(fā)現(xiàn)）金屬熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比正比于溫度金屬

9、熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比正比于溫度:0L洛侖茲系數(shù)洛侖茲系數(shù) (Lorentz number)理論值：理論值：)/(1045. 22280kVLb、合金的熱導(dǎo)率、合金的熱導(dǎo)率如同合金的電導(dǎo)率比純金屬的電導(dǎo)率，如同合金的電導(dǎo)率比純金屬的電導(dǎo)率，合金合金金屬金屬原因：原因：合金中的自由電子受合金晶格、合金中的自由電子受合金晶格、雜質(zhì)、非均勻相的散射強(qiáng)烈雜質(zhì)、非均勻相的散射強(qiáng)烈Znwt0010203040)./(KmW1002003000400組成，組成，熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率Cu Zn 合金熱導(dǎo)率合金熱導(dǎo)率隨隨Zn 含量的變化含量的變化Zn 含量增加、熱導(dǎo)率下降含量增加、熱導(dǎo)率下降c、非金屬、非金屬 （ 陶瓷）、

10、聚合物的熱導(dǎo)率陶瓷）、聚合物的熱導(dǎo)率傳遞熱量的熱載流子主要是聲子傳遞熱量的熱載流子主要是聲子陶瓷的組成和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬?gòu)?fù)雜：陶瓷的組成和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬?gòu)?fù)雜：除晶相、還包括玻除晶相、還包括玻璃相及一定的空隙璃相及一定的空隙聲子在傳播時(shí)受原子構(gòu)成高度聲子在傳播時(shí)受原子構(gòu)成高度無(wú)序的不均勻相的強(qiáng)烈地散射無(wú)序的不均勻相的強(qiáng)烈地散射熱的不良導(dǎo)體、熱熱的不良導(dǎo)體、熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于金屬導(dǎo)率遠(yuǎn)小于金屬陶瓷中的空隙對(duì)熱導(dǎo)率影響最大，陶瓷中的空隙對(duì)熱導(dǎo)率影響最大，空隙率高、導(dǎo)熱率低空隙率高、導(dǎo)熱率低多孔陶瓷、多孔聚合物多孔陶瓷、多孔聚合物絕熱材料絕熱材料四、材料的熱應(yīng)力四、材料的熱應(yīng)力材料熱脹或冷縮引起的內(nèi)應(yīng)力材料熱脹或

11、冷縮引起的內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力：熱應(yīng)力：引起材料塑性變形、特性變化、甚至斷裂引起材料塑性變形、特性變化、甚至斷裂熱應(yīng)力主要來(lái)源下列三個(gè)方面：熱應(yīng)力主要來(lái)源下列三個(gè)方面：1、熱脹冷縮受到限制產(chǎn)生的熱應(yīng)力、熱脹冷縮受到限制產(chǎn)生的熱應(yīng)力均質(zhì)、各向同性的棒，受到均勻加均質(zhì)、各向同性的棒，受到均勻加熱或冷卻、棒內(nèi)不存在溫度梯度熱或冷卻、棒內(nèi)不存在溫度梯度若棒兩端未被夾持：若棒兩端未被夾持：棒能自由膨脹或收縮、內(nèi)部無(wú)熱應(yīng)力棒能自由膨脹或收縮、內(nèi)部無(wú)熱應(yīng)力若棒兩端被剛性固定：若棒兩端被剛性固定：溫度：溫度：fTT 0熱應(yīng)力：熱應(yīng)力：:E0/llTl彈性模量彈性模量；應(yīng)變應(yīng)變、線性相對(duì)變化量、線性相對(duì)變化量:0TTf

12、:0TTfTETTElfl)(000加熱時(shí)加熱時(shí)棒受壓縮應(yīng)力作用；棒受壓縮應(yīng)力作用；冷卻時(shí)冷卻時(shí)棒受拉伸應(yīng)力作用棒受拉伸應(yīng)力作用2、溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力、溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力材料受熱或冷卻時(shí)，內(nèi)部溫度分布與其形材料受熱或冷卻時(shí)，內(nèi)部溫度分布與其形狀、大小及熱導(dǎo)率，和溫度變化率有關(guān)狀、大小及熱導(dǎo)率，和溫度變化率有關(guān) 3、多相復(fù)合材料中各相膨脹系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力、多相復(fù)合材料中各相膨脹系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力材料中若有溫度梯度，引起熱應(yīng)力材料中若有溫度梯度，引起熱應(yīng)力例：材料被從外部迅速加熱或冷卻：例：材料被從外部迅速加熱或冷卻：加熱：加熱：表面比內(nèi)部溫度高、表面膨脹比內(nèi)部大，相鄰的表面比內(nèi)部溫度高

13、、表面膨脹比內(nèi)部大，相鄰的內(nèi)部限制表面的自由膨脹，內(nèi)部限制表面的自由膨脹，表面受到壓應(yīng)力、表面受到壓應(yīng)力、相鄰內(nèi)部受到拉應(yīng)力相鄰內(nèi)部受到拉應(yīng)力冷卻：冷卻：表面受拉應(yīng)力、相鄰內(nèi)部受壓應(yīng)力表面受拉應(yīng)力、相鄰內(nèi)部受壓應(yīng)力與情況與情況2類似類似不是機(jī)械力的約束、而是各相不是機(jī)械力的約束、而是各相間膨脹、收縮的相互制約引起間膨脹、收縮的相互制約引起第四節(jié)第四節(jié) 材料的光學(xué)性質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)光在高科技的地位不斷提高，電子器件和光光在高科技的地位不斷提高，電子器件和光子器件融合、光集成器件是重要的研究方向子器件融合、光集成器件是重要的研究方向一、光的屬性、光與物質(zhì)的作用一、光的屬性、光與物質(zhì)的作用1、光的屬

14、性回顧、光的屬性回顧光的波動(dòng)性與粒子性光的波動(dòng)性與粒子性有些情況波動(dòng)性占主導(dǎo)地位；有些情況波動(dòng)性占主導(dǎo)地位；有些情況粒子性占主導(dǎo)地位有些情況粒子性占主導(dǎo)地位波動(dòng)性與粒子性的聯(lián)系方程：波動(dòng)性與粒子性的聯(lián)系方程：/hChE光子能量光子能量通常意義的光通常意義的光 可見(jiàn)光：可見(jiàn)光：m7 . 04 . 0:電磁破電磁破光（電磁）波光（電磁）波 橫波，兩個(gè)振動(dòng)矢量橫波，兩個(gè)振動(dòng)矢量：電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度HE傳播方向傳播方向磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度EH電磁波在真空中傳播速度：電磁波在真空中傳播速度：00/1C電磁波在介質(zhì)中傳播速度：電磁波在介質(zhì)中傳播速度：rrC/1v:,rr介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率介質(zhì)的相對(duì)介

15、電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率2、光與物質(zhì)的作用、光與物質(zhì)的作用從一種介質(zhì)（空氣）入射另從一種介質(zhì)（空氣）入射另一種介質(zhì)的光成為四部分一種介質(zhì)的光成為四部分：反射、透射、散反射、透射、散射、吸收部分射、吸收部分ATRIIIII0ATRIIIII0:0I:RI:TI:I:AI入射光束強(qiáng)度，入射光束強(qiáng)度，反射強(qiáng)度，反射強(qiáng)度，透射強(qiáng)度，透射強(qiáng)度，散射強(qiáng)度，散射強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度吸收強(qiáng)度1/0000IIIIIIIIATR1ATR反射率、透射率、散射率、吸收率反射率、透射率、散射率、吸收率金屬對(duì)可見(jiàn)光不透明金屬對(duì)可見(jiàn)光不透明入射光入射光反射反射吸收吸收b、電子能態(tài)轉(zhuǎn)變、電子能態(tài)轉(zhuǎn)變光與物質(zhì)間作用的實(shí)質(zhì)光與物質(zhì)間作用的實(shí)

16、質(zhì)光子與物質(zhì)中的原子、離光子與物質(zhì)中的原子、離子、電子間的相互作用子、電子間的相互作用兩種主要作用：兩種主要作用：電子極化電子極化和和電子能態(tài)變化電子能態(tài)變化a、電子極化、電子極化光波中電場(chǎng)分量對(duì)物質(zhì)的作用遠(yuǎn)大于磁場(chǎng)分量的作用光波中電場(chǎng)分量對(duì)物質(zhì)的作用遠(yuǎn)大于磁場(chǎng)分量的作用光波的交變電場(chǎng)引起的電子位移極化光波的交變電場(chǎng)引起的電子位移極化電子極化電子極化:電子極化吸收部分光能、引起光速減小、導(dǎo)致光的折射電子極化吸收部分光能、引起光速減小、導(dǎo)致光的折射光子的吸收或散射一般涉及電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變光子的吸收或散射一般涉及電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變光子因被吸收或被散射而消失或改變方向和能量；光子因被吸收或被散射而消失或改

17、變方向和能量；電子因吸收光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)電子因吸收光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)孤立原子吸收光子的情況：孤立原子吸收光子的情況：1E5E4E3E2E頻率為頻率為 的的入射光子入射光子42能能量量E2 能級(jí)上的電子能級(jí)上的電子只有吸收能量為只有吸收能量為4224hEEE的光子，才能的光子，才能到達(dá)到達(dá) E4 能級(jí)能級(jí) 孤立原子能級(jí)是分立能級(jí)，電子孤立原子能級(jí)是分立能級(jí)，電子對(duì)吸收光子的能量有嚴(yán)格的要求對(duì)吸收光子的能量有嚴(yán)格的要求jiijEEh,iE:jE電子能級(jí)電子能級(jí)晶體吸收光子的情況：晶體吸收光子的情況：晶體中、原來(lái)孤立原晶體中、原來(lái)孤立原子的分立能級(jí)被準(zhǔn)連子的分立能級(jí)被準(zhǔn)連續(xù)的能帶所

18、取代續(xù)的能帶所取代iEjEij孤立原子孤立原子晶體晶體jiijEEh易于實(shí)現(xiàn)易于實(shí)現(xiàn)躍遷條件躍遷條件躍遷輻射：躍遷輻射：激發(fā)的逆過(guò)程激發(fā)的逆過(guò)程電子在激發(fā)態(tài)停留時(shí)間很短，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)、電子在激發(fā)態(tài)停留時(shí)間很短，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)、產(chǎn)生電磁輻射，過(guò)程可是直接、也可是間接產(chǎn)生電磁輻射，過(guò)程可是直接、也可是間接二、金屬的光學(xué)特性二、金屬的光學(xué)特性E入射入射光子光子能量能量費(fèi)費(fèi)米米能能級(jí)級(jí)滿滿態(tài)態(tài)空態(tài)空態(tài)金屬的光學(xué)性質(zhì)與金屬的能帶密切有關(guān)金屬的光學(xué)性質(zhì)與金屬的能帶密切有關(guān)費(fèi)米能級(jí)以上為準(zhǔn)連續(xù)的空能級(jí)；費(fèi)米能級(jí)以上為準(zhǔn)連續(xù)的空能級(jí)；以下為充滿電子的準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)以下為充滿電子的準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)（絕對(duì)零度下）（絕對(duì)零度下）除高頻電磁輻射除高頻電磁輻射 射線、射線、 射射線外，線外，幾乎所有的低頻輻射光子幾乎所有的低頻輻射光子（無(wú)線電波（無(wú)線電波 紫外），都能被紫外），都能被吸收吸收 X金屬對(duì)可見(jiàn)光不透明：金屬對(duì)可見(jiàn)光不透明：入射光入射光反射反射吸收吸收任意光子任意光子 總能找到一個(gè)總能找到一個(gè)空能級(jí)空能級(jí) E、滿足躍遷條件：、滿足躍遷條件：hEEh:EfE以下的占有電子能級(jí)以下的占有電子能級(jí)金屬不透明，金屬不透明， 厚的金厚的金箔幾乎可吸收全部入射