第031講材料物理性能與測(cè)試

會(huì)計(jì)學(xué)1第031講材料物理性能與測(cè)試材料熱性能研究的意義在空間科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用

在能源科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用

在電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用第1頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的晶格熱振動(dòng)

材料的各種熱性能的物理本質(zhì)，均與晶格熱震動(dòng)有關(guān)晶體點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子）總是圍著衡位置作微小震動(dòng)，稱為晶格熱震動(dòng)第2頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)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(yè)/共35頁(yè)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(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容

一般有Cp>Cv，Cp測(cè)定簡(jiǎn)單，Cv更有理論意義。它們間的關(guān)系為：（熱力學(xué)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(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容第6頁(yè)/共35頁(yè)晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗(yàn)定律

元素?zé)崛荻?-杜隆-珀替定律化合物定律--柯普定律第7頁(yè)/共35頁(yè)成功之處：高溫下與試驗(yàn)結(jié)果基本符合杜隆-珀替定律第8頁(yè)/共35頁(yè)杜隆-珀替定律局限性：

不能說(shuō)明高溫下，不同溫度下熱容的微小差別不能說(shuō)明低溫下，熱容隨溫度的降低而減小，在接近絕對(duì)零度時(shí)，熱容按T的三次方趨近與零的試驗(yàn)結(jié)果第9頁(yè)/共35頁(yè)愛(ài)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(yè)/共35頁(yè)愛(ài)因斯坦模型該模型假定：每個(gè)振子都是獨(dú)立的振子，原子之間彼此無(wú)關(guān)，每個(gè)振子振動(dòng)的角頻率相同。故有：稱為愛(ài)因斯坦比熱函數(shù)熱容的量子理論第11頁(yè)/共35頁(yè)愛(ài)因斯坦模型當(dāng)T>>θE

時(shí)當(dāng)T<<θE時(shí)，有

故有熱容的量子理論第12頁(yè)/共35頁(yè)愛(ài)因斯坦模型中：低溫時(shí)，Cv與溫度按指數(shù)律隨溫度而變化，與實(shí)驗(yàn)得出的按T的立方變化規(guī)律仍有偏差。問(wèn)題主要在于基本假設(shè)：各個(gè)振子頻率相同有問(wèn)題，各振子的頻率可以不同，原子振動(dòng)間有耦合作用。愛(ài)因斯坦模型熱容的量子理論第13頁(yè)/共35頁(yè)德拜模型認(rèn)為：晶體對(duì)熱容的貢獻(xiàn)主要是彈性波的振動(dòng)，即較長(zhǎng)的聲頻支在低溫下的振動(dòng)由于聲頻支的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)，故可將晶體當(dāng)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(duì)熱容貢獻(xiàn)很小，可忽略德拜模型熱容的量子理論第14頁(yè)/共35頁(yè)德拜模型當(dāng)溫度較高時(shí)，T>>θD，Cv=3Nk當(dāng)溫度穩(wěn)低時(shí)，T<<θD，有：Cv與T對(duì)的立方成比例，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合

熱容的量子理論第15頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容規(guī)律不同材料θD不同，θD取決于材料的鍵強(qiáng)度，彈性模量和熔點(diǎn)。第16頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容規(guī)律無(wú)機(jī)材料有大致相同的比熱曲線。第17頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)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(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容與材料的結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的關(guān)系無(wú)機(jī)材料的熱容規(guī)律第19頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容規(guī)律

單位體積的熱容與氣孔率有關(guān)第20頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容規(guī)律一般情況下，熱容由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式

Cp=a+bT+CT-2+

單位：4.18J/(mol.k)，其具體數(shù)值可查有關(guān)手冊(cè)。第21頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容規(guī)律高溫下固體的摩爾熱容約等于構(gòu)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?jǐn)?shù)，ci：原子的摩爾熱容第22頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱容規(guī)律多相復(fù)合材料的熱容約等于構(gòu)成該復(fù)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?jǐn)?shù)，Ci：材料中第i種組成的比熱容。第23頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)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(guān)系:第24頁(yè)/共35頁(yè)無(wú)機(jī)材料的熱膨脹某些無(wú)機(jī)材料熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系第25頁(yè)/共35頁(yè)

前面我們用原子的簡(jiǎn)諧振動(dòng)解釋了固體的比熱問(wèn)題，但晶體的另一些熱學(xué)性能如熱膨脹、熱傳導(dǎo)則不能用間諧振動(dòng)來(lái)解釋，必須考慮非間諧振動(dòng)。固體材料的熱膨脹機(jī)理第26頁(yè)/共35頁(yè)固體材料的熱膨脹機(jī)理r<r0時(shí)。斜率大，稍

微增大一點(diǎn)位移，斥

力變很大晶體的非線形振動(dòng)r>r0時(shí)。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(jiǎn)諧振動(dòng)，而是因?yàn)樵娱g的受力是不均衡的。質(zhì)點(diǎn)在平衡位置兩側(cè)，受力不對(duì)稱：第27頁(yè)/共35頁(yè)熱膨脹性能與其它性能的關(guān)系a)熱膨脹和結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系：結(jié)合能高，α較小b)熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系：溫度高，αl大，熱容有相似的規(guī)律c)熱膨脹與結(jié)構(gòu)的關(guān)系d)壓力和應(yīng)力對(duì)熱膨脹的影響

第28頁(yè)/共35頁(yè)多晶和復(fù)合材料的熱膨脹

無(wú)機(jī)材料都是多晶體或由幾種晶體和玻璃相組成的復(fù)合體。各向異性的多晶體或復(fù)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而導(dǎo)至熱膨脹。設(shè)有各向同異性的復(fù)合材料，由于α不同，而存在著內(nèi)應(yīng)力：第29頁(yè)/共35頁(yè)多晶和復(fù)合材料的熱膨脹特納公式二相材料的情況第30頁(yè)/共35頁(yè)多晶和復(fù)合材料的熱膨脹兩相材料熱膨脹系數(shù)計(jì)算值的比