PPT(熱學(xué)、電學(xué))

1、n 晶格振動(dòng)n 熱容（Heat capacity）n 熱膨脹（Thermal expansion）n 導(dǎo)熱性（Thermal conductivity）n 熱穩(wěn)定性（Thermal shock resistance）前提：僅考慮相鄰近原子間的相互作用力（簡(jiǎn)諧近似）.1. .一維單原子鏈的振動(dòng)一維單原子鏈的振動(dòng)色散關(guān)系nn+1n+2n-2n-1axnxn+1xn-1(a+xn+1 xn)(a+xn xn-1)N個(gè)原子, 原子質(zhì)量m)21(sin422aqmm2l 在N個(gè)原子組成的一維單原子 鏈中共有N個(gè)獨(dú)立的格波.l 某個(gè)原子在t時(shí)刻的總位移為 所有（N個(gè)）格波的疊加.2. .一維雙原子鏈的振動(dòng)

2、一維雙原子鏈的振動(dòng)2n2n+12n+22n-2a2n-1a 質(zhì)量：M 質(zhì)量：m0q02mMMm 22BA BMmA2/ 122sin411aqMmmMmMMm222長(zhǎng)波近似繪出q- 圖qa2a2+-光頻支聲頻支相鄰原子振動(dòng)方向相同相鄰原子振動(dòng)方向相反l 聲頻支振動(dòng)頻率低，類似彈性體中的應(yīng)變波l 光頻支振動(dòng)頻率高，通常在紅外光區(qū)一一. .概念概念 物體溫度升高1K所需要增加的能量.熱容溫度為T時(shí)，物體的熱容為 （J/K）TtTQCl 摩爾熱容Cm，比熱容（比熱）cl 恒壓熱容Cp，恒容熱容CvCpCv對(duì)于室溫下的凝聚態(tài)物質(zhì)CpCv 3.2 無(wú)機(jī)材料的熱容無(wú)機(jī)材料的熱容二二. .晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗(yàn)

3、定律和經(jīng)典理論晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論1、杜隆-珀替（Dulong-Petit）定律 元素?zé)崛荻蒷 前提：將單質(zhì)晶體視為由N個(gè)原子組成的大 “分子”，將理想氣體分子熱容理論用于固體.l 內(nèi)容：恒壓下元素的原子熱容為25 J/(Kmol).)/(253molKJRTECmml 高溫下與實(shí)際情況較吻合l Au、Ag、Cu、Al等金屬較符合該定律l 輕元素原子熱容與杜隆-珀替定律不符l 各元素?zé)崛蓦S溫度降低而減小，0K時(shí)C=0低溫下自由度“凍結(jié)”CmT3l 僅適用于較高溫度，且主要適用于簡(jiǎn)單的離子晶體.2、柯普（Kopp）定律 化合物熱容定律杜-珀定律及柯普定律可詳見秦允豪熱學(xué)（第3版）p

4、90101l 內(nèi)容：化合物分子熱容等于構(gòu)成該 化合物的各元素原子熱容之和.n：化合物分子中的原子數(shù))/(253molKJnRnCm 根據(jù)量子理論，固體晶格振動(dòng)的能量是量子化的（聲子），其能量為 （n=0, 1, 2, ）.n三三. .晶態(tài)固體熱容的量子理論晶態(tài)固體熱容的量子理論 1mol固體的平均能量為AiAiNikTiNieEE31311則固體的摩爾熱容為量子理論熱容表達(dá)式2312,) 1()()(kTkTNiiVmViiAeekTkTEC諧振子頻譜i無(wú)法精確測(cè)定，須采用簡(jiǎn)化模型處理.熱容的量子理論模型愛因斯坦模型德拜模型假設(shè)：l 每個(gè)原子都是獨(dú)立振子， 原子間無(wú)相互作用l 都以相同的角頻率

5、振動(dòng)假設(shè)：l 原子間有相互作用l 僅考慮聲頻支振動(dòng)l 將晶體視為連續(xù)介質(zhì)，晶格 振動(dòng)頻率從0到max連續(xù)分布)(3,TRfCEemV22) 1()()(kTkTEeeekTTf稱為愛因斯坦熱容函數(shù))(kE為愛因斯坦溫度1、愛因斯坦熱容模型l 假設(shè)：每個(gè)原子都是獨(dú)立振子，原子間 彼此無(wú)關(guān)，都以相同的角頻率振動(dòng).l 內(nèi)容：l 當(dāng)T很高，即 時(shí)， ，與杜-珀定律一致； 當(dāng)T很低，即 時(shí)， ，熱容下降過(guò)快.ETRCmV3,ETkTAmVekTkNC2,)(3實(shí)驗(yàn)測(cè)得值模型計(jì)算值低溫下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱容與T3成正比. l 原因：對(duì)晶格振動(dòng)過(guò)于簡(jiǎn)化，原子間并不是彼此獨(dú)立地以 同樣的頻率振動(dòng)，原子振動(dòng)間有耦合

6、作用，在低溫下這一 效應(yīng)尤其顯著.34,)(512DmVTRC2、德拜（Debye）熱容模型l 假設(shè)：原子間有相互作用；僅考慮聲頻支振 動(dòng)；將晶體視為連續(xù)介質(zhì)，其晶格振動(dòng)頻率 從0到max連續(xù)分布.l 內(nèi)容：)(3,TRfCDDmV稱為德拜熱容函數(shù)dxexeTTfTxxDDDD0243) 1()(3)(為德拜特征溫度kDmaxkTxl 高溫時(shí)， ， ，與杜-珀定律一致.DT在低溫下， ， ，即 Cv,mT3DTRCmV3,德拜三次方定律l 局限性：在低溫下還不能完全符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于復(fù)雜分子 結(jié)構(gòu)的化合物偏差較大. 解釋不了超導(dǎo)現(xiàn)象.l 原因：對(duì)于高頻振動(dòng)部分，晶體不能視為連續(xù)介質(zhì). 并且德拜

7、 溫度與溫度無(wú)關(guān)也并不合理.Fundamentals of Materials Science and Engineering (5 Edition) ), Chapter 17. John Wiley & Sons, Inc. 2001 晶體熱容理論小結(jié)晶體熱容理論小結(jié)四四. .無(wú)機(jī)材料的熱容無(wú)機(jī)材料的熱容金屬與無(wú)機(jī)非金屬材料的重要差別內(nèi)部有大量自由電子1、金屬的熱容 考慮到自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)，金屬熱容可寫成BTATCCCemVAmVmv3,., 自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)在高溫和低溫條件下尤其顯著.原子振動(dòng)熱容電子熱容CV,m3RT/KIIIIIIIV0D5I區(qū)：05K，CV,mT，熱

8、容主要由電子激發(fā)所決定；II區(qū)：溫度區(qū)間大，CV,mT3，符合德拜三次方定律；III區(qū)：D附近，CV,m趨近于一常數(shù)3R，符合杜-珀定律；IV區(qū)：T比D高很多，CV,m3R平緩上升，電子熱容貢獻(xiàn)增量部分.Cu的熱容-溫度曲線（放大后）例：金屬Al在30K下的Cv,m=0.81J/Kmol，其D為428K. 試估算Al在50K及500K時(shí)的熱容Cv,m.德拜溫度德拜溫度D的計(jì)算的計(jì)算kDmax定義式中的max可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算3212max2108 . 2aMMVT林德曼（Lindemann）定律M-相對(duì)原子量，Va-原子體積，TM-熔點(diǎn)（K）32137aMDMVT代入定義式中，得部分物質(zhì)的D（K

9、） 陶瓷材料中的自由電子極少，C-T關(guān)系比金屬更符合德拜模型.一些陶瓷材料的熱容-溫度曲線2、陶瓷的熱容l 陶瓷材料的D取決于鍵強(qiáng)、材料的彈性模量、熔點(diǎn)等，通常約 為熔點(diǎn)的0.20.5倍. Ceramic Materials Science and Engineering, Chapter 34. Springer, Inc. 2007 l 陶瓷材料的熱容與固體材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系不大.摩爾比1:1的不同形式CaO+SiO2的熱容l 材料發(fā)生相變時(shí)，在相變溫度附 近，熱容會(huì)發(fā)生突變.l 材料中含有氣體時(shí)，其單位體積的熱容與氣孔率有關(guān).l 在較高溫度下(300) ，化合 物的Cm約為組成該化合物的各

10、元素原子熱容之和：iimCnCni-化合物中元素i的原子數(shù)Ci-元素i的摩爾熱容l 復(fù)合材料的比熱iicgcgi-成份i的wt%，ci-成份i的比熱Ceramic Materials Science and Engineering, Chapter 34. Springer, Inc. 2007 溫度升高1K時(shí)，物體體積的相對(duì)增量.體膨脹系數(shù)一一. .熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 溫度升高1K時(shí)，物體的相對(duì)伸長(zhǎng).熱膨脹系數(shù)Tlll0l - 平均線膨脹系數(shù)，T -溫度變化區(qū)間 l0 - 起始長(zhǎng)度，l - T內(nèi)的長(zhǎng)度變化TVVV0物體在溫度 T 時(shí)的長(zhǎng)度lT為： )1 (00TlllllTcbaV各向同性

11、材料：3V物體在溫度 T 時(shí)的體積VT為： )1 (00TVVVVVT熱膨脹測(cè)量?jī)x器熱膨脹測(cè)量?jī)x器 熱膨脹儀熱膨脹儀試樣熱電偶剛玉桿http:/ .固體材料熱膨脹機(jī)理固體材料熱膨脹機(jī)理1、從作用力角度解釋斥力引力r0合力Fr 在平衡位置r0兩側(cè)，合力曲線的斜率并不相等.l rr0時(shí)（質(zhì)點(diǎn)遠(yuǎn)離），斜率較小， 即引力隨位移而增大的幅度小.FF質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的平均位置不在r0處，而要向右移.溫度升高振幅增大r0兩側(cè)受力不對(duì)稱越發(fā)顯著質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)平均位置右移增大相鄰質(zhì)點(diǎn)間平均距離增加晶胞參數(shù)增大晶體膨脹物體熱膨脹本質(zhì)： 晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨溫度升高而增大.2、從點(diǎn)陣能角度解釋若采用簡(jiǎn)諧近似：2220

12、00)(! 21)()()(rrrUrUUrUr33322200000)(! 31)(! 21)()()()(rrrrUrUrUUUrUrr 在雙原子模型中，如左原子視為不動(dòng)，則右原子所具有的點(diǎn)陣能U(r0)為最小值. 如有伸長(zhǎng)量時(shí)，點(diǎn)陣能變?yōu)閁(r0+) = U(r) . 以泰勒級(jí)數(shù)展開：22200)(21)(rrUUr點(diǎn)陣能原子間距 溫度升高，振幅增大，但振動(dòng)平均位置不變，晶體無(wú)膨脹.Fundamentals of Materials Science and Engineering (5 Edition) ), Chapter 17. John Wiley & Sons, Inc.

13、 2001 r0 溫度越高，振動(dòng)平均位置移動(dòng)得越遠(yuǎn)，晶體膨脹.333222000)(! 31)(! 21)()(rrrUrUUrUr非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，保留高次方項(xiàng)：r1r2r3T1T2T3900K）時(shí)，ph變化不大（gh段）；對(duì)透明非晶體， rT3，總為gh段；對(duì)不透明非晶體，無(wú)明顯gh段.n r0時(shí)（低溫較高溫）， 非晶體 晶體.n 在較高溫下，二者較接近， 因?yàn)?l lmin，Cph常數(shù).n 非晶體無(wú)峰值點(diǎn)，說(shuō)明其lph 基本為常數(shù).晶體與非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線對(duì)于組成相同的晶體與非晶體：對(duì)于晶體與非晶體共存的材料：n 晶相非晶相，低溫較高溫，略；在高溫下，基本不變.n 非晶相晶相，T時(shí).n 晶相與

14、非晶相比例適當(dāng)時(shí)，可在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)為常數(shù).l 一般質(zhì)點(diǎn)的原子量愈小，密度愈小，楊氏模量愈大，D愈 高，則愈大.l 晶體中的缺陷和雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致聲子的散射，降低 lph，使變小.l 固溶體的較低，取代元素與基質(zhì)元素差異愈大，對(duì)影響 愈大.MgO-NiO固溶體的熱導(dǎo)率3、化學(xué)組成的影響Ceramic Materials Science and Engineering, Chapter 34. Springer, Inc. 2007 l 分散相的影響121112121dcdcddcdcdcVV 對(duì)于分散相均勻分布于連續(xù)相中的復(fù)相陶瓷材料，其熱導(dǎo)率為c-連續(xù)相熱導(dǎo)率d-分散相熱導(dǎo)率Vd-分散相體積分

15、數(shù)對(duì)于層狀態(tài)復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率為2211/VV平行于熱流方向的界面221121VV垂直于熱流方向的界面4、復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率氣孔陶瓷體晶粒玻璃相時(shí)，dcddcVV11時(shí)，dcddcVV121pVVQVQQQVQQVsdcddcddc11211212121112121l 氣孔的影響 溫度T不很高，氣孔率p不大，氣孔尺寸較小且分布均勻時(shí)，可將氣孔視為一種分散相（p0）.Q=c/dn 在一定范圍內(nèi)，p；n 封閉小氣孔隔熱效果好，大氣孔易發(fā)生對(duì)流傳熱；n 粉狀及纖維狀材料低，因其內(nèi)氣孔連通，固體接觸少， 材料的導(dǎo)熱取決于氣孔相的導(dǎo)熱.一一. .熱穩(wěn)定性的表示方法熱穩(wěn)定性的表示方法國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)l 直形

16、磚：直形磚： 受熱端面伸入到預(yù)熱至受熱端面伸入到預(yù)熱至1100的爐內(nèi)的爐內(nèi)50mm，保持，保持20min，接著，接著在室溫水中淬冷在室溫水中淬冷3min，然后干燥，然后干燥. 用受熱端面破損一半的熱循環(huán)用受熱端面破損一半的熱循環(huán)次數(shù)表征其抗熱震性次數(shù)表征其抗熱震性. l 長(zhǎng)條試樣：長(zhǎng)條試樣： 以一個(gè)面為受熱面，在均熱板上自室溫以規(guī)定的速率加熱至以一個(gè)面為受熱面，在均熱板上自室溫以規(guī)定的速率加熱至1000，保持，保持30min，然后置于空氣中淬冷，然后置于空氣中淬冷. 以熱震前、后抗折以熱震前、后抗折強(qiáng)度變化百分率評(píng)價(jià)其損傷程度強(qiáng)度變化百分率評(píng)價(jià)其損傷程度.美國(guó)的鑲板試驗(yàn)法（美國(guó)的鑲板試驗(yàn)法（A

17、STMC38） 試驗(yàn)磚盛砌成的邊長(zhǎng)不小于試驗(yàn)磚盛砌成的邊長(zhǎng)不小于460mm的正方形鑲板，預(yù)熱的正方形鑲板，預(yù)熱24h，冷卻，然后按要求的次數(shù)在爐子和噴水霧的鼓風(fēng)機(jī)之間經(jīng)受熱循冷卻，然后按要求的次數(shù)在爐子和噴水霧的鼓風(fēng)機(jī)之間經(jīng)受熱循環(huán)，以質(zhì)量損失與外觀檢查環(huán)，以質(zhì)量損失與外觀檢查評(píng)價(jià)其熱震損傷程度評(píng)價(jià)其熱震損傷程度.Yixing Morgan Thermal Ceramics Co., Ltd二二. .熱應(yīng)力熱應(yīng)力熱應(yīng)力熱應(yīng)力 (p280) 由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力.熱應(yīng)力的來(lái)源熱應(yīng)力的來(lái)源l 熱脹冷縮受到限制熱脹冷縮受到限制 l 熱膨脹系數(shù)差異熱膨脹系數(shù)

18、差異l0+l= 0l0 0l 溫度梯度溫度梯度l0T0TfTf小小大大T0張張壓壓低溫區(qū)低溫區(qū)高溫區(qū)高溫區(qū))(0TTEEfl由虎克定律由虎克定律溫度分布溫度分布應(yīng)力分布應(yīng)力分布?jí)簤簤簤簭垙垷釕?yīng)力的計(jì)算熱應(yīng)力的計(jì)算zxyxxzzy= 0根據(jù)廣義虎克定律根據(jù)廣義虎克定律TEEETEEETEEEzxyyyxzzzyxx)()( )(=0=0(y= 0 )TEzx1E-彈性模量，彈性模量，-泊松比，泊松比，-熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)瞬間冷卻瞬間冷卻平面薄板平面薄板t=0時(shí)，時(shí)，x=z=max；若；若max=f（抗（抗拉極限），則發(fā)生破壞拉極限），則發(fā)生破壞ETf)1 (max此時(shí)此時(shí)對(duì)于非平面薄板狀物體對(duì)

19、于非平面薄板狀物體ESTf)1 (max形狀因子形狀因子表面單元表面單元表面溫度與表面溫度與平均溫度之差平均溫度之差三三. .抗熱沖擊斷裂性能抗熱沖擊斷裂性能 以強(qiáng)度以強(qiáng)度-應(yīng)力為判據(jù)，材料中的熱應(yīng)力達(dá)到抗張強(qiáng)度極限后，應(yīng)力為判據(jù)，材料中的熱應(yīng)力達(dá)到抗張強(qiáng)度極限后，材料就產(chǎn)生開裂，一旦裂紋成核就導(dǎo)致材料的完全破壞材料就產(chǎn)生開裂，一旦裂紋成核就導(dǎo)致材料的完全破壞.理論基礎(chǔ)：熱彈性力學(xué)理論基礎(chǔ)：熱彈性力學(xué)http:/www.satra.co.uk/spotlight/article_view.php?id=356http:/ (max2、第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子、第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R熱沖擊斷裂的

20、其它影響因素?zé)釠_擊斷裂的其它影響因素R僅與僅與Tmax相關(guān)，未考慮其它因素的影響相關(guān)，未考慮其它因素的影響. 材料的熱導(dǎo)率：材料的熱導(dǎo)率：大有利于熱穩(wěn)定性大有利于熱穩(wěn)定性 傳熱途徑：物體?。ǔ叽缧。┯欣跓岱€(wěn)定性傳熱途徑：物體?。ǔ叽缧。┯欣跓岱€(wěn)定性 材料表面散熱速率：材料表面散熱速率： 如果材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度高如果材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度高1K，在單位面積上，單位時(shí)間帶走的熱量，在單位面積上，單位時(shí)間帶走的熱量.材料表面散熱率材料表面散熱率hh大對(duì)熱穩(wěn)定性不利大對(duì)熱穩(wěn)定性不利將以上因素納入考慮將以上因素納入考慮 畢奧模數(shù)畢奧模數(shù)畢奧模數(shù)畢奧模數(shù)mhr定義定義 h - 表面散熱率表

21、面散熱率 rm - 物體的半厚物體的半厚- 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率第一因子第一因子R的假設(shè)條件：理想驟冷，即瞬間產(chǎn)生最大熱應(yīng)力的假設(shè)條件：理想驟冷，即瞬間產(chǎn)生最大熱應(yīng)力max.實(shí)際情況：因?yàn)樯岬纫蛩?，?shí)際情況：因?yàn)樯岬纫蛩?，max滯后達(dá)到，且低于理想值滯后達(dá)到，且低于理想值.max*實(shí)測(cè)應(yīng)力值實(shí)測(cè)應(yīng)力值瞬間冷卻的瞬間冷卻的最大熱應(yīng)力最大熱應(yīng)力無(wú)因次表面應(yīng)力無(wú)因次表面應(yīng)力* 隨時(shí)間隨時(shí)間變化規(guī)律變化規(guī)律 越小，最大應(yīng)力折減越大，最大越小，最大應(yīng)力折減越大，最大應(yīng)力的滯后越嚴(yán)重應(yīng)力的滯后越嚴(yán)重.一般條件下一般條件下hrm31. 031. 0max*考慮了熱導(dǎo)率考慮了熱導(dǎo)率、物體尺寸、物體尺寸rm 以及材

22、料表面散熱率以及材料表面散熱率hhrTSEmf31. 0)1 (maxmaxmax*hrESTmf31. 01)1 (max則則)1 (REf第二熱應(yīng)力因子第二熱應(yīng)力因子hrSRTm31. 01max RR條件：非驟冷驟熱，溫度較緩慢變化條件：非驟冷驟熱，溫度較緩慢變化.考慮到制品形狀差異考慮到制品形狀差異不同傳熱條件下，材料淬冷斷裂的最大溫差不同傳熱條件下，材料淬冷斷裂的最大溫差物體平均溫度物體平均溫度400某些實(shí)際應(yīng)用中更關(guān)心材料所能承受的最大冷卻某些實(shí)際應(yīng)用中更關(guān)心材料所能承受的最大冷卻/加熱速率加熱速率 .dtdT 對(duì)于厚度為對(duì)于厚度為2rm的無(wú)限平板，的無(wú)限平板，在降溫過(guò)程中，其內(nèi)外

23、溫度分在降溫過(guò)程中，其內(nèi)外溫度分布呈拋物線形：布呈拋物線形：2kxTTckxdxdT2溫度變化率為溫度變化率為kdxTd22202TkrTTmsc在平板表面在平板表面20222mrTdxTd則則3、第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子、第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R”22xTctTp非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中，截面上各點(diǎn)的溫度變化速率非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中，截面上各點(diǎn)的溫度變化速率202mprTcadtdTrcrdtdTTmpm2205 . 0/21則則熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）032)(32TTTTTscsav由圖知由圖知ETTTfsav)1 (max臨界溫差時(shí)臨界溫差時(shí)2max3)1 ()(mfprEcdtdT

24、aRcRcERppf)1 ( 第三熱應(yīng)力因子第三熱應(yīng)力因子2max3 )(mrRdtdT材料所能允許的最大冷卻速率為材料所能允許的最大冷卻速率為小小 結(jié)結(jié)ERf)1 ( ERf)1 (pfcER)1 ( aRcRRp RRRTmaxhrRTm31. 01max2max3 )(mrRdtdT三個(gè)因子間關(guān)系：三個(gè)因子間關(guān)系： 以應(yīng)變能以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)，不僅考慮材料中裂紋的產(chǎn)生，還考慮斷裂能為判據(jù)，不僅考慮材料中裂紋的產(chǎn)生，還考慮裂紋在應(yīng)力作用下的擴(kuò)展裂紋在應(yīng)力作用下的擴(kuò)展. 即使有裂紋產(chǎn)生，如能控制在較小范即使有裂紋產(chǎn)生，如能控制在較小范圍內(nèi)，則材料不致完全破壞圍內(nèi)，則材料不致完全破壞.四四

25、. .抗熱沖擊損傷性能抗熱沖擊損傷性能理論基礎(chǔ)：斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)：斷裂力學(xué)Yixing Morgan Thermal Ceramics Co., Ltd 當(dāng)材料中的彈性應(yīng)變能較小，則裂紋擴(kuò)展的可能性小；裂紋蔓當(dāng)材料中的彈性應(yīng)變能較小，則裂紋擴(kuò)展的可能性??；裂紋蔓延時(shí)需要的斷裂表面能大，則裂紋蔓延困難，材料熱穩(wěn)定性就好延時(shí)需要的斷裂表面能大，則裂紋蔓延困難，材料熱穩(wěn)定性就好. 抗熱應(yīng)力損傷正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變釋放能抗熱應(yīng)力損傷正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變釋放能.)1 (/ 2 ER)1 (/2 2effER第四熱應(yīng)力因子第四熱應(yīng)力因子第五熱應(yīng)力因子第五熱應(yīng)力因子斷裂表面能（形成兩個(gè)斷裂表

26、面）斷裂表面能（形成兩個(gè)斷裂表面）用來(lái)比較具有相同斷裂表面能的材料用來(lái)比較具有相同斷裂表面能的材料用來(lái)比較具有不同斷裂表面能的材料用來(lái)比較具有不同斷裂表面能的材料 R R 根據(jù)根據(jù) 和和 ，熱穩(wěn)定性好的材料具有低的，熱穩(wěn)定性好的材料具有低的和高的和高的E，這，這與與 和和 的情況正好相反的情況正好相反. R RRR 或或 值高的材料抗熱應(yīng)力損傷性好值高的材料抗熱應(yīng)力損傷性好 R R五五. .提高熱穩(wěn)定性的措施提高熱穩(wěn)定性的措施提高抗熱沖擊提高抗熱沖擊斷裂斷裂性能性能l ，El l l hl 制品厚度（尺寸）制品厚度（尺寸）提高抗熱沖擊提高抗熱沖擊損傷損傷性能性能l ，El l l hl 制品厚

27、度（尺寸）制品厚度（尺寸）l 適當(dāng)?shù)奈⒘鸭y適當(dāng)?shù)奈⒘鸭y02468101214020406080100 TSRICoefficient of thermal expansion (10-6/K)1000TSRIKZP石英玻璃石英玻璃堇青石瓷堇青石瓷CZPSi3N4透鋰長(zhǎng)石瓷透鋰長(zhǎng)石瓷鋰質(zhì)瓷鋰質(zhì)瓷SiCAlN莫來(lái)石瓷莫來(lái)石瓷日用瓷日用瓷90Al2O3瓷瓷99Al2O3瓷瓷MgO-MgAl2O4ZrO2-Al2O3FSZPSZPTCMgO鋇鐵氧體鋇鐵氧體0：原彎曲強(qiáng)度，：原彎曲強(qiáng)度，：熱沖擊后彎曲強(qiáng)度：熱沖擊后彎曲強(qiáng)度ThermalShockResistanceIndex李愷，碩士論文，南京工業(yè)大學(xué)

28、，2012六六. .應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例http:/ 什么問(wèn)題？為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題？德拜模型是怎樣解決愛什么問(wèn)題？為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題？德拜模型是怎樣解決愛 因斯坦模型的問(wèn)題的？因斯坦模型的問(wèn)題的？2、試用雙原子模型說(shuō)明固體熱膨脹的物理本質(zhì)、試用雙原子模型說(shuō)明固體熱膨脹的物理本質(zhì). 3、晶體與非晶體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化各有何規(guī)律？試分析造成二、晶體與非晶體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化各有何規(guī)律？試分析造成二 者變化差異的原因者變化差異的原因.4、無(wú)機(jī)非金屬材料的抗熱沖擊性能分為幾類？各類的理論基礎(chǔ)和、無(wú)機(jī)非金屬材料的抗熱沖擊性能分為幾類？各類的理論基礎(chǔ)和 破壞的判據(jù)分別是什么？要如何改善無(wú)機(jī)非金屬材料的

29、抗熱沖破壞的判據(jù)分別是什么？要如何改善無(wú)機(jī)非金屬材料的抗熱沖 擊性能擊性能? Electrical n 電導(dǎo)的物理現(xiàn)象電導(dǎo)的物理現(xiàn)象n 晶體中的電導(dǎo)晶體中的電導(dǎo)n 玻璃的電導(dǎo)玻璃的電導(dǎo)n 陶瓷的電導(dǎo)陶瓷的電導(dǎo)n 半導(dǎo)體及超導(dǎo)體半導(dǎo)體及超導(dǎo)體二二. .電子式電導(dǎo)電子式電導(dǎo)1、能帶理論、能帶理論N=12rE能帶能帶能帶能帶能隙能隙rEr0晶格常數(shù)晶格常數(shù)l 越外層的軌道對(duì)應(yīng)的能帶能量越高越外層的軌道對(duì)應(yīng)的能帶能量越高l 能量越低的能帶越窄，能量越高的能帶越寬能量越低的能帶越窄，能量越高的能帶越寬l 主量子數(shù)相同的能帶相距較近，主量子數(shù)不同的能帶相距較遠(yuǎn)主量子數(shù)相同的能帶相距較近，主量子數(shù)不同的能帶

30、相距較遠(yuǎn)l 原子距離越近，能級(jí)分裂得越寬，越外層軌道越明顯原子距離越近，能級(jí)分裂得越寬，越外層軌道越明顯Na：1s22s22p63s11s2s2p 3s 未滿帶未滿帶Mg：1s22s22p63s21s2s2p 3s 滿帶滿帶3p空帶空帶（價(jià)帶）（價(jià)帶）（導(dǎo)帶）（導(dǎo)帶）僅有未滿帶內(nèi)的僅有未滿帶內(nèi)的電子參與導(dǎo)電！電子參與導(dǎo)電！（價(jià)帶）（價(jià)帶）不同材料能帶特點(diǎn)：不同材料能帶特點(diǎn)：l 導(dǎo)體：價(jià)帶未填滿，或價(jià)帶（滿）與導(dǎo)帶（空）部分重疊導(dǎo)體：價(jià)帶未填滿，或價(jià)帶（滿）與導(dǎo)帶（空）部分重疊.l 半導(dǎo)體與絕緣體：價(jià)帶與導(dǎo)帶間存在禁帶（能隙）半導(dǎo)體與絕緣體：價(jià)帶與導(dǎo)帶間存在禁帶（能隙）. 半導(dǎo)體半導(dǎo)體Eg 2e

31、VEcEvEfEcEvEf導(dǎo)體導(dǎo)體價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶EcEv半導(dǎo)體、絕緣體半導(dǎo)體、絕緣體EgV. 半導(dǎo)體與超導(dǎo)體半導(dǎo)體與超導(dǎo)體一一. .半導(dǎo)體的物理效應(yīng)半導(dǎo)體的物理效應(yīng)1、晶界效應(yīng)、晶界效應(yīng)l 壓敏效應(yīng)：對(duì)電壓變化敏感的非線性電阻效應(yīng)壓敏效應(yīng)：對(duì)電壓變化敏感的非線性電阻效應(yīng).ZnO壓敏陶瓷電容壓敏陶瓷電容 l 熱敏效應(yīng)：對(duì)溫度變化敏感的非線性電阻效應(yīng)熱敏效應(yīng)：對(duì)溫度變化敏感的非線性電阻效應(yīng). 包括包括PTC、NTC效應(yīng)效應(yīng).PTC陶瓷片及發(fā)熱組件陶瓷片及發(fā)熱組件使用使用PTC加熱元件產(chǎn)品加熱元件產(chǎn)品2、表面效應(yīng)、表面效應(yīng)氣敏陶瓷元件氣敏陶瓷元件Chapter 4 總結(jié)總結(jié)4.1 電導(dǎo)的物

32、理現(xiàn)象電導(dǎo)的物理現(xiàn)象一、電導(dǎo)的宏觀參數(shù)一、電導(dǎo)的宏觀參數(shù) 1、電導(dǎo)率、電阻率：、電導(dǎo)率、電阻率：J=E = E/（、單位）單位） 2、體電阻率、面電阻率：影響因素、體電阻率、面電阻率：影響因素二、電導(dǎo)的物理特性二、電導(dǎo)的物理特性 1、載流子：種類、兩種效應(yīng)、載流子：種類、兩種效應(yīng) 2、電導(dǎo)率、遷移率、遷移數(shù)：、電導(dǎo)率、遷移率、遷移數(shù)： = n q= n q v/E，ti= i/4.2 晶體中的電導(dǎo)晶體中的電導(dǎo)離子式電導(dǎo)：影響因素（離子式電導(dǎo)：影響因素（T、離子性質(zhì)、離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)、點(diǎn)缺陷）、點(diǎn)缺陷）電子式電導(dǎo)：能帶理論（導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體能帶差異，電子式電導(dǎo)：能帶理論（導(dǎo)體、半導(dǎo)

33、體、絕緣體能帶差異， 施主、受主能級(jí)位置及作用）施主、受主能級(jí)位置及作用）4.3 玻璃的電導(dǎo)玻璃的電導(dǎo) 2個(gè)效應(yīng)個(gè)效應(yīng)4.4 陶瓷的電導(dǎo)陶瓷的電導(dǎo) 根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)：根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)： lnT=VG lnG +VB lnB（對(duì)數(shù)混合法則）（對(duì)數(shù)混合法則） 根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理：根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理：T=本本+雜雜+玻玻=ion+ele 4.5 半導(dǎo)體與超導(dǎo)體半導(dǎo)體與超導(dǎo)體（了解）（了解）Dielectric propertieshttp:/n 介質(zhì)的極化介質(zhì)的極化n 介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗n 介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度n 壓電性能壓電性能三三. .極化形式及影響因素極化形式及影響因素各極化形式比較各極化形式比較建立速度（快建立速度（

34、快 慢）慢）電子位移電子位移 離子位移離子位移 電子松弛、轉(zhuǎn)向電子松弛、轉(zhuǎn)向 離子松弛離子松弛 空間電荷空間電荷f（Hz）空間電荷空間電荷轉(zhuǎn)向、松弛轉(zhuǎn)向、松弛離子位移離子位移電子位移電子位移離子諧振離子諧振電子諧振電子諧振101010410121016II. 介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗一一. .基本概念基本概念 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱等電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱等而消耗的能量稱為電介質(zhì)的損耗功率，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗而消耗的能量稱為電介質(zhì)的損耗功率，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗.介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗1、介質(zhì)損耗、介質(zhì)損耗2、產(chǎn)生損耗的原因、產(chǎn)生損耗的原因l 電導(dǎo)損耗（因漏導(dǎo)而產(chǎn)生）電導(dǎo)損耗（因漏導(dǎo)而產(chǎn)生）l

35、 極化損耗（建立極化消耗）極化損耗（建立極化消耗）l 其它（電離損耗、結(jié)構(gòu)損耗等）其它（電離損耗、結(jié)構(gòu)損耗等）3、介質(zhì)損耗表示方法、介質(zhì)損耗表示方法l 復(fù)介電系數(shù)復(fù)介電系數(shù)l 損耗角正切損耗角正切 ii實(shí)部：與介質(zhì)極化性能有關(guān)實(shí)部：與介質(zhì)極化性能有關(guān)虛部：與介質(zhì)電導(dǎo)性能有關(guān)（引起損耗）虛部：與介質(zhì)電導(dǎo)性能有關(guān)（引起損耗）UICIRI tanIRICIV二二. .介質(zhì)損耗的形式介質(zhì)損耗的形式VRCVCRaCaVCRaCaRUICIRIUICIIaUICIIaIRPtanPtanPtanTtanPPtanTPtanTIII. 介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度一一. .基本概念基本概念1、擊穿、擊穿 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)

36、某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，該現(xiàn)象稱為介質(zhì)的擊穿變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，該現(xiàn)象稱為介質(zhì)的擊穿.擊穿擊穿2、介電強(qiáng)度、介電強(qiáng)度 發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度稱為介電強(qiáng)度發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度稱為介電強(qiáng)度.介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度dUE/穿穿d 試樣擊穿處的厚度試樣擊穿處的厚度二二. .擊穿的類型擊穿的類型1、熱擊穿、熱擊穿微觀機(jī)理：微觀機(jī)理： 電介質(zhì)因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，若發(fā)熱量高于散熱量，則電介質(zhì)電介質(zhì)因介質(zhì)損耗而發(fā)熱，若發(fā)熱量高于散熱量，則電介質(zhì)溫度持續(xù)升高，最終導(dǎo)致?lián)p壞（擊穿）溫度持續(xù)升高，最終導(dǎo)致?lián)p壞（擊穿）.Ttan，QtanAE 穿A - 常數(shù)（與制品

37、形狀、大小和常數(shù)（與制品形狀、大小和 散熱條件有關(guān)）散熱條件有關(guān)）2、電擊穿、電擊穿微觀機(jī)理：微觀機(jī)理：l 在強(qiáng)電場(chǎng)下，固體導(dǎo)帶中存在少量電子，其在外電場(chǎng)作用在強(qiáng)電場(chǎng)下，固體導(dǎo)帶中存在少量電子，其在外電場(chǎng)作用 下獲得動(dòng)能，同時(shí)通過(guò)與晶格振動(dòng)的相互作用，把能量傳下獲得動(dòng)能，同時(shí)通過(guò)與晶格振動(dòng)的相互作用，把能量傳 遞給晶格；遞給晶格；l 這兩個(gè)過(guò)程在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)下達(dá)到平衡時(shí)，固體介質(zhì)有這兩個(gè)過(guò)程在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)下達(dá)到平衡時(shí)，固體介質(zhì)有 穩(wěn)定的電導(dǎo)；穩(wěn)定的電導(dǎo)；l 當(dāng)電子得到的能量大于傳遞給晶格的能量時(shí)，電子動(dòng)能就當(dāng)電子得到的能量大于傳遞給晶格的能量時(shí)，電子動(dòng)能就 越來(lái)越大，大到一定值時(shí)，電子與晶

38、格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)越來(lái)越大，大到一定值時(shí)，電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo) 致電離，產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)致電離，產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn) 定狀態(tài)，發(fā)生擊穿定狀態(tài)，發(fā)生擊穿.定性結(jié)論：定性結(jié)論：l 電擊穿過(guò)程只需電擊穿過(guò)程只需10-710-8s；l 電極面積小，電極面積小，E穿穿大；大； （點(diǎn)（點(diǎn)-面電極：面電極：E穿穿大；面大；面-面電極：面電極：E穿穿?。┬。﹍ 直流電場(chǎng)下的直流電場(chǎng)下的E穿穿 交流電場(chǎng)下的交流電場(chǎng)下的E穿穿；l 有氣孔時(shí)，有氣孔時(shí)，E穿穿降低（可能產(chǎn)生電降低（可能產(chǎn)生電-機(jī)械機(jī)械-熱擊穿）；熱擊穿）；l 和和T對(duì)對(duì)E穿穿影響不大影響不大.有

39、機(jī)玻璃板被擊穿形成的李庭博（有機(jī)玻璃板被擊穿形成的李庭博（Lichtenberg）圖形）圖形http:/ 在直流或低頻交變電壓下，由于離子式電導(dǎo)引起電解在直流或低頻交變電壓下，由于離子式電導(dǎo)引起電解 過(guò)程，使電導(dǎo)損耗急劇增大，最后因強(qiáng)烈發(fā)熱而導(dǎo)致過(guò)程，使電導(dǎo)損耗急劇增大，最后因強(qiáng)烈發(fā)熱而導(dǎo)致 熱熱-化學(xué)擊穿；化學(xué)擊穿；l 當(dāng)材料中存在封閉氣孔時(shí)，由于氣體的電離放熱，使當(dāng)材料中存在封閉氣孔時(shí)，由于氣體的電離放熱，使 器件溫度迅速上升，變價(jià)金屬離子發(fā)生還原，產(chǎn)生電器件溫度迅速上升，變價(jià)金屬離子發(fā)生還原，產(chǎn)生電 子，導(dǎo)致電子式電導(dǎo)增大，使溫度進(jìn)一步升高，最終子，導(dǎo)致電子式電導(dǎo)增大，使溫度進(jìn)一步升高，

40、最終 發(fā)生擊穿發(fā)生擊穿.IV. 壓電性能壓電性能一一. .壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 1880年，居里年，居里兄弟在兄弟在-石英晶石英晶體中首次觀察到體中首次觀察到壓電現(xiàn)象壓電現(xiàn)象.+ + +- - - 對(duì)石英晶體機(jī)械應(yīng)力時(shí)，對(duì)石英晶體機(jī)械應(yīng)力時(shí)，在垂直于應(yīng)力作用的兩端面在垂直于應(yīng)力作用的兩端面上會(huì)出現(xiàn)等量、異號(hào)的束縛上會(huì)出現(xiàn)等量、異號(hào)的束縛電荷電荷. 作用力反向時(shí)，電荷也作用力反向時(shí)，電荷也反號(hào)，且電荷密度與作用力反號(hào)，且電荷密度與作用力成正比成正比.1、現(xiàn)象、現(xiàn)象+- 將石英晶體置于一定方向的電場(chǎng)中時(shí)，晶體將石英晶體置于一定方向的電場(chǎng)中時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化. 形變量與電場(chǎng)強(qiáng)度形變量與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比成正比.機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力束縛電荷：正壓電效應(yīng)束縛電荷：正壓電效應(yīng)外加電場(chǎng)外加電場(chǎng)尺寸變化：逆壓電效應(yīng)尺寸變化：逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)+2、機(jī)理、機(jī)理+-+- 對(duì)于沒(méi)有對(duì)稱中心的晶體，當(dāng)受到外力作用時(shí)，正負(fù)對(duì)于沒(méi)有對(duì)稱中心的晶體，當(dāng)受到外力作用時(shí)，正負(fù)離子產(chǎn)生不對(duì)稱的相對(duì)位移，從而產(chǎn)生偶極矩離子產(chǎn)生不對(duì)稱的相對(duì)位移，從而產(chǎn)生偶極矩. 有對(duì)稱中心的晶體受外力作用時(shí)，正負(fù)離子相對(duì)位移對(duì)稱，有對(duì)稱中心的晶體受外力作用時(shí)，正負(fù)離子相對(duì)位移對(duì)稱，正負(fù)電荷重心依然重合，不產(chǎn)生偶極矩，沒(méi)有壓電效應(yīng)正負(fù)電荷重心依然重合，不產(chǎn)生偶極矩，沒(méi)有壓電效應(yīng).-利用壓電石英晶