多媒體教案材料物理性能學(xué)04材料的熱性能2016au

多媒體教案材料物理性能學(xué)04材料的熱性能2016au第四章 材料的熱性能4.1熱力學(xué)概念簡(jiǎn)介4.2材料的熱容*4.3材料的熱膨脹*4.4材料的導(dǎo)熱性*4.5材料的熱穩(wěn)定性4.6材料的熱電性*4.7材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法本章參考書?相變和臨界現(xiàn)象?于淥郝柏林陳曉松著 2005年7月，科學(xué)出版社材料的熱學(xué)性能是宏觀物質(zhì)的體效應(yīng)，能夠反映材料內(nèi)部的構(gòu)造特性，熱容、熱導(dǎo)率、熱膨脹和熱應(yīng)力都是材料工程應(yīng)用中不可忽略的方面，值得人們進(jìn)展深入探索研究?！疅帷沟梦覀儸F(xiàn)實(shí)世界中物質(zhì)得以展現(xiàn)出其多樣性的一面。我們無時(shí)無刻不在面對(duì)著‘熱’水的三態(tài)；航天器穿越地球大氣層〔耐高溫和高熱導(dǎo)率〕；超導(dǎo)和超流現(xiàn)象；熱脹冷縮效應(yīng)在我們現(xiàn)實(shí)生活中的重要性；電子器件多數(shù)都有一定的工作溫度范圍。4.1熱力學(xué)概念簡(jiǎn)介熱容相變〔宏觀固態(tài)物質(zhì)〕自由度熱力學(xué)溫標(biāo)熵玻爾茲曼分布……自由度是物體運(yùn)動(dòng)方程中可以寫成的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。系統(tǒng)中常常存在著各種約束，使得這3N〔N個(gè)原子3D空間〕個(gè)坐標(biāo)并不都是獨(dú)立的。比方，實(shí)空間N個(gè)原子理想氣體分子體系，自由度為3N；而運(yùn)動(dòng)于平面的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)或者說單原子，其自由度為2。

自由度(degreeoffreedom)分子平均平動(dòng)動(dòng)能單原子分子平均能量自由度這個(gè)概念，更主要是應(yīng)用于早期材料的熱學(xué)特性理論模型。4.2固體材料的熱容〔1〕理論模型的開展〔2〕從材料熱容奉獻(xiàn)者角度分類〔1〕理論模型的開展經(jīng)典熱容理論——Dulong-Petit定律愛因斯坦的量子熱容理論德拜量子熱容理論對(duì)德拜理論的完善和開展Dulong-Petit定律早在19世紀(jì)，Dulong-Petit把氣體分子的熱容理論直接用于固體，并用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)處理晶體熱容假設(shè)晶體有N個(gè)原子，那么總的平均能量為3NkT，摩爾熱容為：CmV。(能量按自由度均分)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它只適用于局部金屬和有限溫度范圍。按照Dulong-Petit定律：晶體的摩爾熱容是一個(gè)隨溫度固定不變的常數(shù)愛因斯坦熱容模型愛因斯坦認(rèn)為晶體中每個(gè)晶格原子都在獨(dú)立地作振動(dòng)，并且振動(dòng)頻率都為v。他引入了晶格振動(dòng)能量量子化的概念，把原子振動(dòng)視為諧振子。量子力學(xué)認(rèn)為，諧振子的振動(dòng)能量為： n為聲子的量子數(shù)，顯然與溫度有關(guān)根據(jù)玻爾茲曼分布，具有能量為En的諧振子數(shù)目，也就是聲子占據(jù)En能量的概率，正比于 exp(-En/kBT)=exp(-n?v/kBT).那么當(dāng)溫度為T時(shí)，振動(dòng)頻率為v的諧振子平均能量為：那么晶體所有原子〔諧振子〕的平均能量可以計(jì)算出。由等容熱容定義得：愛因斯坦固體熱容模型的成功和缺乏之處：高溫時(shí)，相符合；低溫時(shí)，趨于零，但與實(shí)驗(yàn)有差異；德拜熱容模型德拜理論認(rèn)為： 晶體中各原子間存在彈性引力和斥力，這種力使得原子的熱振動(dòng)相互受著牽連和制約。晶體是連續(xù)介質(zhì)，原子在振動(dòng)時(shí)有寬的振動(dòng)譜，存在最大振動(dòng)頻率vmax。德拜溫度：反響了原子之間的結(jié)合力。林德曼公式：vmax=2.8×1012×(TM/M)1/2(Va)1/3,而ΘD=hvmax/kB〔2〕從材料熱容奉獻(xiàn)者角度分類但凡物質(zhì)溫度升高-----微觀單元能量的吸收A. 原子振動(dòng)或者晶格振動(dòng)B. 大量的自由電子金屬中，含有A+B絕緣體中只有A對(duì)于以下的熱容奉獻(xiàn)者：A. 原子振動(dòng)或者晶格振動(dòng)B. 大量的自由電子量子熱容理論模型都更加合理?。。量子晶格振動(dòng)熱容理論模型----愛因斯坦熱容模型B量子自由電子熱容理論模型。金屬和合金的熱容金屬和合金的最大特點(diǎn)就是內(nèi)部存在大量的自由電子，而自由電子對(duì)于總體系的熱容是有奉獻(xiàn)的。這樣金屬的熱容實(shí)際上應(yīng)該由兩局部組成：晶格離子實(shí)局部和自由電子局部。低溫下金屬的熱容：CT=CL+Ce=aT3+bT經(jīng)典理論認(rèn)為自由電子的熱容在3k/2數(shù)量級(jí)，并且與溫度無關(guān)。但是實(shí)際測(cè)得的電子對(duì)于熱容的奉獻(xiàn)只有此數(shù)值的1/100。費(fèi)米分布函數(shù)陶瓷材料的熱容陶瓷材料主要由離子鍵和共價(jià)鍵組成，室溫下幾乎沒有自由電子，因此熱容與溫度關(guān)系更符合德拜模型。相變對(duì)熱容的影響什么叫做‘相’？ 1.Anyoftheformsorstates,solid,liquid,gas,orplasma,inwhichmattercanexist,dependingontemperatureandpressure. 態(tài)：由溫度和氣壓決定的物質(zhì)存在的形式或狀態(tài)，如固體、液體、氣體或原生質(zhì)等 2.Adiscretehomogeneouspartofamaterialsystemthatismechanicallyseparablefromtherest,asisicefromwater. 相：在物質(zhì)上有分別的同源體系，這個(gè)體系在物理上是可以分辨的，如冰和水相變分類：一個(gè)好的分類已經(jīng)是一種重要知識(shí)。厄倫菲斯分類：標(biāo)志是熱力學(xué)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性。對(duì)于熱力學(xué)函數(shù)求導(dǎo)數(shù)：1、2、3…，一直到某一階導(dǎo)數(shù)出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)時(shí)停頓?？纯创藭r(shí)求導(dǎo)是第多少階，是多少階就是多少階相變。一級(jí)相變〔有潛熱，從溫度上看為突變〕 二級(jí)相變〔從溫度上看為一個(gè)有限范圍〕考慮水結(jié)成冰這個(gè)相變是多少級(jí)相變？4.3材料的熱膨脹1、熱膨脹來自于晶格原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)*2、膨脹系數(shù)3、影響熱膨脹的因素4、熱膨脹的測(cè)試方法及應(yīng)用對(duì)于固體材料，其熱膨脹的本質(zhì)歸因于：晶體點(diǎn)陣構(gòu)造中質(zhì)點(diǎn)之間的平均距離隨溫度升高而增大。而并不能簡(jiǎn)單解釋為由于質(zhì)點(diǎn)的振幅隨溫度的升高而增大。熱膨脹的微觀機(jī)理是原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)。事實(shí)上，材料的晶格振動(dòng)中相鄰質(zhì)點(diǎn)間的作用力并不是簡(jiǎn)單地與位移成正比的。作用力與位移成正比的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)。4.3.1 熱膨脹來自于晶格原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)一維雙原子鏈?zhǔn)疽鈭D對(duì)于某彈簧振子來說，它將作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。簡(jiǎn)諧振動(dòng)↓非簡(jiǎn)諧振動(dòng)↘當(dāng)r<r0時(shí)，晶格離子實(shí)間的作用力表現(xiàn)為斥力，且斥力隨r減小增加較快；而當(dāng)r>r0時(shí)，晶格離子實(shí)間的作用力表現(xiàn)為引力，這個(gè)引力隨r增大減小得較慢；在振子受到上述作用力F(r)的情況下，振子的平衡位置應(yīng)該向那個(gè)方向移動(dòng)？U(r)=U(r0)+c(r-r0)2-g(r-r0)3+…基態(tài)下原子間距為：r04.3.2 膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)：〔膨脹量/溫度變化量〕l=f(T)的倒數(shù)是材料線膨脹系數(shù)的曲線。還有體膨脹系數(shù)的概念工程中膨脹系數(shù)是經(jīng)常要考慮的物理參數(shù)之一。如玻璃陶瓷與金屬之間的封接，由于電真空的要求，需要在低溫和高溫下兩種材料的膨脹系數(shù)比較相近。否那么，容易漏氣。要注意對(duì)于立方晶系，各個(gè)方向的膨脹系數(shù)是一樣的。膨脹系數(shù)與其它物理量的關(guān)系熱膨脹是固體材料受到熱作用以后晶格振動(dòng)加劇而引起的容積〔體積〕膨脹，而晶格振動(dòng)的加劇正是〔溫度〕熱運(yùn)動(dòng)能量的增大。 1/與熱容有關(guān)，β=γCv/KV 2/固體熱膨脹極限方程：〔VTM-V0〕/V0=6% 3/熱膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)有一定的關(guān)系：αTM=b 4/膨脹系數(shù)與德拜溫度的關(guān)系〔由林德曼公式〕 5/膨脹系數(shù)隨元素原子序數(shù)明顯呈周期性變化。4.3.3影響熱膨脹的因素合金成分和相變晶體缺陷晶體各向異性〔彈性模量高方向膨脹系數(shù)小〕鐵磁性轉(zhuǎn)變〔反常膨脹〕4.3.4熱膨脹的測(cè)試方法及應(yīng)用熱膨脹的測(cè)量方法 千分表簡(jiǎn)易膨脹儀 光學(xué)膨脹儀 電測(cè)膨脹儀 *測(cè)量并分析材料的變溫X射線譜。膨脹法在材料研究中的應(yīng)用 測(cè)定鋼的臨界點(diǎn) 測(cè)定鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 測(cè)定鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 研究快速升溫時(shí)金屬相變及合金時(shí)效動(dòng)力學(xué) 研究晶體缺陷〔知道有這點(diǎn)就可以〕各個(gè)主要成分的相要分別考慮清楚，之后才是深入研究。4.4材料的導(dǎo)熱性熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律及其微觀機(jī)制4.4.1 傅立葉導(dǎo)熱定律4.4.2 熱擴(kuò)散率和熱阻4.4.3 導(dǎo)熱的微觀機(jī)制熱傳導(dǎo) 某材料內(nèi)部溫度不均勻或者兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸，熱就會(huì)自發(fā)地從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)傳播〔兩端均為恒溫源〕。4.4.1 傅立葉導(dǎo)熱定律穩(wěn)態(tài)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過垂直截面上的熱流密度q正比于該金屬棒的溫度梯度。(類比水流、電流)負(fù)號(hào)表示熱量向低溫處傳播；比例系數(shù)k稱為熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率單位：J/(m·K·s)金屬： 50~415合金： 12~1204.4.2 熱擴(kuò)散率〔導(dǎo)溫系數(shù)〕和熱阻穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)——材料各點(diǎn)溫度隨時(shí)間不變化。 dT/dt=0，T僅為x的函數(shù)T(x)。非穩(wěn)態(tài)時(shí)，T(x,t)。考慮如果棒與外界絕熱，也就是沒有熱交換，那么，初始時(shí)自身的溫度不平衡將逐漸隨著時(shí)間的流逝而趨于平衡，因?yàn)橛袦囟忍荻染蜁?huì)有熱傳導(dǎo)，最終溫度梯度趨于零。導(dǎo)溫系數(shù)就是衡量材料導(dǎo)溫(實(shí)質(zhì)是說使得材料溫度從不均勻分布趨于均勻分布)的能力之參數(shù)。定性來看，材料熱容對(duì)于導(dǎo)溫起阻礙作用；密度也起阻礙作用；而材料的熱導(dǎo)率那么是起促進(jìn)作用導(dǎo)溫系數(shù)的物理意義與不穩(wěn)定的導(dǎo)熱過程相聯(lián)系。不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，一方面涉及熱量的傳導(dǎo)，一方面涉及溫度的變化。熱擴(kuò)散率標(biāo)志著材料溫度的變化速度。α=k/〔dcp〕在一樣條件下，α越大那么物體各局部溫差越小。實(shí)際的工程中，人們經(jīng)常要處理或者選擇保溫材料或熱交換材料。當(dāng)然導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)是重要的依據(jù)。除此兩者之外還有就是熱阻，R=ΔT/Φ，其中ΔT是溫度差，Φ是熱流量。熱阻的倒數(shù)是熱導(dǎo)類比于Ohm’sLaw,R=U/I來理解這個(gè)概念。注意，熱導(dǎo)和熱導(dǎo)率的差異，類似電導(dǎo)和電導(dǎo)率之間的區(qū)別。4.4.3導(dǎo)熱的微觀機(jī)制固體的晶格離子實(shí)只能在其平衡位置附近做小幅振動(dòng)，與氣體不同，固體不可以靠分子之間的直接碰撞作用來傳遞熱量。雖然不可以直接傳遞熱量，但是各離子實(shí)的振動(dòng)不是獨(dú)立的?？烤Ц裾駝?dòng)的格波〔或聲子〕和自由電子來傳遞熱量，固體的熱導(dǎo)率為兩局部的和。類似于熱容也是由兩局部組成一樣。金屬的熱傳導(dǎo)熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的關(guān)系熱導(dǎo)率及其影響因素Ke正比于T，而電導(dǎo)率呢？Wiedeman-Franz定律：給定溫度下金屬的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率比值為常數(shù)。但是實(shí)質(zhì)是說自由電子的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率比值為常數(shù)。對(duì)于金屬，有：顯然，當(dāng)?shù)诙?xiàng)來自聲子的局部可以忽略時(shí)，W-F定律成立。一般是在固體材料的德拜溫度以上熱導(dǎo)率及其影響因素純金屬的導(dǎo)熱性： 熱導(dǎo)率與溫度，金屬的熱導(dǎo)峰； 晶粒的大小； 各向異性； 雜質(zhì)。合金的導(dǎo)熱性：分有序和無序固溶體來討論。

4.5材料的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性的表征熱應(yīng)力抗熱沖擊性能熱穩(wěn)定性：指材料承受溫度的急劇變化而不致被破壞的能力，也稱抗熱震性。熱應(yīng)力：僅由材料受熱膨脹或遇冷收縮引起的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。這種應(yīng)力可以導(dǎo)致材料的斷裂破壞或者發(fā)生不希望的塑性變型。對(duì)于光學(xué)材料將影響其光學(xué)特性，光學(xué)特性是非常容易受影響的，換句話說光學(xué)是檢測(cè)材料缺陷等的非常精細(xì)的手段。熱應(yīng)力的來源因?yàn)闊崦浝淇s受到限制而產(chǎn)生的熱應(yīng)力因溫度梯度而產(chǎn)生熱應(yīng)力多相復(fù)合材料因?yàn)楦飨嗟呐蛎浵禂?shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力?？篃釠_擊性能抗熱沖擊斷裂性能 三種熱應(yīng)力斷裂抵抗因子。 斷裂是怎么產(chǎn)生的？ 比較材料所受應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度。4.6材料的熱電性4.6.1 熱電材料的機(jī)理4.6.2 熱電效應(yīng)的應(yīng)用熱電效應(yīng)

塞貝克效應(yīng)(*) 玻爾帖效應(yīng) 湯姆遜效應(yīng)功能材料種類繁多兩種不同材料組成回路：回路電流的流向看具體場(chǎng)境。溫度差x較小時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與之成線性關(guān)系4.6.1 熱電效應(yīng)的機(jī)理(1)——塞貝克效應(yīng)兩種不同金屬材料的自由電子密度不同，當(dāng)接觸時(shí)，在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。這將與PN結(jié)中載流子的擴(kuò)散形式相似。電子的擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。注意，低溫端擴(kuò)散形成電勢(shì)差，高溫端也擴(kuò)散形成電勢(shì)差，但是兩者的絕對(duì)值是不同的。自由空間中或真空中，兩金屬的EF可能不一致〔ns不同是非?？赡艿摹常墙佑|后，費(fèi)米能級(jí)取為一樣。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NA＞NB，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B那么因獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì)：eAB(T)：為導(dǎo)體A和B的結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電勢(shì)；

e：為電子電荷；kB：玻爾茲曼常數(shù)大家注意，上面所說的是在某一個(gè)接觸點(diǎn)的情況。熱電偶測(cè)溫-信號(hào)級(jí)能量〔功率低〕溫差發(fā)電-能源級(jí)能量〔功率高〕(2)——珀耳帖效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：先熱后電；珀耳帖效應(yīng)：先電后熱。由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。這將與PN結(jié)中載流子的擴(kuò)散形式相似。電子的擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。在一樣溫度下，兩個(gè)端點(diǎn)處由于電子擴(kuò)散而形成的電勢(shì)差一樣，回路中不會(huì)有電流〔合電動(dòng)勢(shì)為零〕。假定：nA>nB,eA<eB電子在一端是由電子能量高處遷往電子能量低處，而在另一端一定是從電子能量低處遷往能量高處。體系的能量升高就對(duì)應(yīng)生熱或溫度變高。溫差發(fā)電器In1822,theEstonian–GermanphysicistThomasJohannSeebeck(inset)discoveredthatifheatisappliedacrossthejunctionoftwowires,acurrentisgenerated.Itisthebasisofthermocouples—devicesusedforcooling,andforpowergenerationsuchasintheVoyagermissiontoJupiterandSaturn,seenhereatitslaunchin1977.4.6.2 熱電材料的應(yīng)用日美專家開發(fā)出高效熱電轉(zhuǎn)換材料

日本大阪大學(xué)教授山中伸介和美國(guó)科研人員合作開發(fā)出一種新型熱電轉(zhuǎn)換材料，其效率到達(dá)常規(guī)熱電轉(zhuǎn)換材料的約２倍。鉛和元素碲的化合物添加少量鉈，在500攝氏度左右的溫度下熱電轉(zhuǎn)換效率到達(dá)百分之十幾，而常規(guī)熱電轉(zhuǎn)換材料的效率只有７％至８％?？蒲腥藛T說，如果覆蓋納米金屬薄膜，新材料可在更低溫度條件下高效率地發(fā)電。在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，大量的熱能往往白白流失掉。如普通汽車引擎產(chǎn)生的能量約有60％在生成熱量的過程中喪失。25JULY2021VOL321p554SCIENCEAninconvenienttruthaboutthermoelectricsCroninB.ViningＮaturematerials|VOL8|FEBRUARY2021據(jù)德國(guó)?科學(xué)畫報(bào)?雜志報(bào)道，來自德國(guó)慕尼黑的一家芯片研發(fā)企業(yè)研究出的這種新型電池，主要由一個(gè)可感應(yīng)溫差的硅芯片構(gòu)成。當(dāng)這種特殊的硅芯片正面“感受〞到的溫度較之反面溫度具有一定溫差時(shí)，其內(nèi)部電子就會(huì)產(chǎn)生定向流動(dòng)，從而產(chǎn)生微電流。負(fù)責(zé)研發(fā)這種電池的科學(xué)家溫納·韋伯介紹說，“只要在人體皮膚與衣服等之間有5℃的溫差，就可以利用這種電池為一塊普通的腕表提供足夠的能量〞。1821年，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克〔T.J.Seebeck〕發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，這就是熱電效應(yīng)。也稱作“塞貝克效應(yīng)〔Seebeckeffect〕〞。ThomasJohannSeebeck〔1770～1831〕測(cè)溫度用的熱電極材料： 熱電勢(shì)與溫度有良好的線性關(guān)系； 具有較大的熱電勢(shì)系數(shù)； 材料的熱電性能可靠； 其他環(huán)境因素。ZT=S2T/ρ(ke+kl)種類：化合物半導(dǎo)體特性：無噪音、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定用途：主要用于油田、野外、軍事等領(lǐng)域,同時(shí)越來越多地應(yīng)用于小家電制造、儀器儀表、玩具及旅游業(yè)等行業(yè)。按工作溫度來分類：高溫溫差發(fā)電器，其熱面工作溫度一般在700℃以上，使用的典型溫差電材料是硅鍺合金〔SiGe〕；中溫溫差發(fā)電器，其熱面工作溫度一般在400℃～