第031講材料物理性能與測試

會計學1第031講材料物理性能與測試材料熱性能研究的意義在空間科學技術中的應用

在能源科學技術中的應用

在電子技術和計算機技術中的應用第1頁/共35頁無機材料的晶格熱振動

材料的各種熱性能的物理本質(zhì)，均與晶格熱震動有關晶體點陣中的質(zhì)點（原子、離子）總是圍著衡位置作微小震動，稱為晶格熱震動第2頁/共35頁無機材料的熱容熱容定義熱容是使材料溫度升高1k所需的能量。它反映材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力，不同溫度下，熱容不一定相同。第3頁/共35頁熱容的分類

比熱容平均熱容摩爾熱容恒壓熱容恒容熱容第4頁/共35頁無機材料的熱容

一般有Cp>Cv，Cp測定簡單，Cv更有理論意義。它們間的關系為：（熱力學第二定律）其中為體積膨脹系數(shù)為壓縮系數(shù)

Vo-摩爾容積第5頁/共35頁無機材料的熱容第6頁/共35頁晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗定律

元素熱容定律--杜隆-珀替定律化合物定律--柯普定律第7頁/共35頁成功之處：高溫下與試驗結(jié)果基本符合杜隆-珀替定律第8頁/共35頁杜隆-珀替定律局限性：

不能說明高溫下，不同溫度下熱容的微小差別不能說明低溫下，熱容隨溫度的降低而減小，在接近絕對零度時，熱容按T的三次方趨近與零的試驗結(jié)果第9頁/共35頁愛因斯坦模型德拜的比熱模型晶態(tài)固體熱容的量子理論第10頁/共35頁愛因斯坦模型該模型假定：每個振子都是獨立的振子，原子之間彼此無關，每個振子振動的角頻率相同。故有：稱為愛因斯坦比熱函數(shù)熱容的量子理論第11頁/共35頁愛因斯坦模型當T>>θE

時當T<<θE時，有

故有熱容的量子理論第12頁/共35頁愛因斯坦模型中：低溫時，Cv與溫度按指數(shù)律隨溫度而變化，與實驗得出的按T的立方變化規(guī)律仍有偏差。問題主要在于基本假設：各個振子頻率相同有問題，各振子的頻率可以不同，原子振動間有耦合作用。愛因斯坦模型熱容的量子理論第13頁/共35頁德拜模型認為：晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振動，即較長的聲頻支在低溫下的振動由于聲頻支的波長遠大于晶格常數(shù)，故可將晶體當成是連續(xù)介質(zhì)，聲頻支也是連續(xù)的，頻率具有0～ωmax高于ωmax的頻率在光頻支范圍，對熱容貢獻很小，可忽略德拜模型熱容的量子理論第14頁/共35頁德拜模型當溫度較高時，T>>θD，Cv=3Nk當溫度穩(wěn)低時，T<<θD，有：Cv與T對的立方成比例，與實驗結(jié)果相吻合

熱容的量子理論第15頁/共35頁無機材料的熱容規(guī)律不同材料θD不同，θD取決于材料的鍵強度，彈性模量和熔點。第16頁/共35頁無機材料的熱容規(guī)律無機材料有大致相同的比熱曲線。第17頁/共35頁無機材料的熱容規(guī)律不同溫度下某些陶瓷材料的熱容第18頁/共35頁無機材料的熱容與材料的結(jié)構無明顯的關系無機材料的熱容規(guī)律第19頁/共35頁無機材料的熱容規(guī)律

單位體積的熱容與氣孔率有關第20頁/共35頁無機材料的熱容規(guī)律一般情況下，熱容由實驗測定，可用如下經(jīng)驗公式

Cp=a+bT+CT-2+

單位：4.18J/(mol.k)，其具體數(shù)值可查有關手冊。第21頁/共35頁無機材料的熱容規(guī)律高溫下固體的摩爾熱容約等于構成該固體化合物的各元素的原子熱容的總和

C=∑niCi

式中，ni：原子的分數(shù)，ci：原子的摩爾熱容第22頁/共35頁無機材料的熱容規(guī)律多相復合材料的熱容約等于構成該復合材料的物質(zhì)的熱容之和

C=∑giCi

式中，gi：材料中第i種組成的重量百分數(shù)，Ci：材料中第i種組成的比熱容。第23頁/共35頁無機材料的熱膨脹熱膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)：

體膨脹系數(shù)：線膨脹系數(shù)與體膨脹系數(shù)的關系:第24頁/共35頁無機材料的熱膨脹某些無機材料熱膨脹系數(shù)與溫度的關系第25頁/共35頁

前面我們用原子的簡諧振動解釋了固體的比熱問題，但晶體的另一些熱學性能如熱膨脹、熱傳導則不能用間諧振動來解釋，必須考慮非間諧振動。固體材料的熱膨脹機理第26頁/共35頁固體材料的熱膨脹機理r<r0時。斜率大，稍

微增大一點位移，斥

力變很大晶體的非線形振動r>r0時。斜率較小，

引力隨位移的增大要

慢些產(chǎn)生線膨脹的原因不是簡諧振動，而是因為原子間的受力是不均衡的。質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)，受力不對稱：第27頁/共35頁熱膨脹性能與其它性能的關系a)熱膨脹和結(jié)合能、熔點的關系：結(jié)合能高，α較小b)熱膨脹與溫度、熱容的關系：溫度高，αl大，熱容有相似的規(guī)律c)熱膨脹與結(jié)構的關系d)壓力和應力對熱膨脹的影響

第28頁/共35頁多晶和復合材料的熱膨脹

無機材料都是多晶體或由幾種晶體和玻璃相組成的復合體。各向異性的多晶體或復合材料，由于其中各部分的α有所不同，而在燒成后的冷卻過程中會產(chǎn)生內(nèi)應力，而導至熱膨脹。設有各向同異性的復合材料，由于α不同，而存在著內(nèi)應力：第29頁/共35頁多晶和復合材料的熱膨脹特納公式二相材料的情況第30頁/共35頁多晶和復合材料的熱膨脹兩相材料熱膨脹系數(shù)計算值的比