材料科學(xué)與技術(shù)第8課

二、材料的熱膨脹1、熱膨脹系數(shù)所有材料都有熱脹冷縮性平均線熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)溫度T1

時(shí)的試樣長(zhǎng)度；溫度T2

時(shí)的試樣長(zhǎng)度平均體熱膨脹系數(shù)：溫度T1

時(shí)的試樣體積；溫度T2

時(shí)的試樣體積熱膨脹系數(shù)一般是溫度的函數(shù)線熱膨脹系數(shù)和體熱膨脹系數(shù)2、熱膨脹的起因溫度T時(shí)的線熱膨脹系數(shù)：溫度T時(shí)的體熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)是工程上重要的物理參數(shù)之一：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）：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；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)力熱膨脹的本質(zhì)：原子平均距離隨溫度的增大起因于：原子間作用力隨距離非線性變化、原子的振動(dòng)是非簡(jiǎn)諧振動(dòng)距離力引力斥力合力平衡位置(合力為零)的兩側(cè)合力曲線的斜率不等0原子相互作用勢(shì)能曲線勢(shì)能曲線關(guān)于處的虛線不對(duì)稱原子間作用力作用力和勢(shì)能曲線的斜率較大；作用力和勢(shì)能曲線的斜率較??；03、影響熱膨脹因素0原子振動(dòng)時(shí)的平均距離：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，新平衡位置右移越多、越大，晶體膨脹越大。溫度T、平均位置原子振動(dòng)能量原子平均間距隨溫度的變化：熱膨脹與結(jié)構(gòu)有關(guān)：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積（未被原子占據(jù)的空位）的膨脹有關(guān)材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵熱膨脹與原子結(jié)合鍵有關(guān)：結(jié)合鍵強(qiáng)、熱膨脹小離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合的材料：熱膨脹??；以共價(jià)鍵和范德瓦爾斯結(jié)合的聚合物：熱膨脹系數(shù)最大金屬鍵：具有中等的熱膨脹系數(shù)；

材料陶瓷金屬聚合物三、材料的導(dǎo)熱性1、傅里葉導(dǎo)熱定律材料溫度不均勻時(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)傳遞熱傳導(dǎo)：均勻金屬棒的兩端分別與兩恒溫?zé)嵩唇佑|熱平衡時(shí)各處的溫度不隨時(shí)間變化穩(wěn)態(tài)熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過與熱傳導(dǎo)方向垂直的單位面積的熱能通過金屬棒的熱流密度：負(fù)號(hào)：熱能從高溫向低溫傳遞熱導(dǎo)率，單位：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：金屬：合金：非金屬：2、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：聲子（晶格振動(dòng)的晶格波）和自由電子固體熱導(dǎo)率：聲子熱導(dǎo)率電子熱導(dǎo)率非金屬和絕緣材料：以聲子導(dǎo)熱為主純金屬：以電子導(dǎo)熱為主合金：電子和聲子共同起作用a、金屬的熱導(dǎo)率金屬主要熱載流子

—自由電子（電載流子）熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率間的聯(lián)系：不太低的溫度下（Wiedemann–Franz首先發(fā)現(xiàn)）金屬熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比正比于溫度洛侖茲系數(shù)(Lorentznumber)理論值：b、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，合金金屬原因：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10203040組成，熱導(dǎo)率Cu–Zn合金熱導(dǎo)率隨Zn含量的變化Zn含量增加、熱導(dǎo)率下降c、非金屬（陶瓷）、聚合物的熱導(dǎo)率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：除晶相、還包括玻璃相及一定的空隙聲子在傳播時(shí)受原子排列高度無(wú)序的不均勻相的強(qiáng)烈地散射熱的不良導(dǎo)體、熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于金屬陶瓷中的空隙對(duì)熱導(dǎo)率影響最大，空隙率高、導(dǎo)熱率低多孔陶瓷、多孔聚合物絕熱材料四、材料的熱應(yīng)力材料熱脹或冷縮引起的內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力：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：1、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，受到均勻加熱或冷卻、棒內(nèi)不存在溫度梯度若棒兩端未被夾持：棒能自由膨脹或收縮、內(nèi)部無(wú)熱應(yīng)力若棒兩端被剛性固定：溫度：熱應(yīng)力：彈性模量；應(yīng)變、線性相對(duì)變化量加熱時(shí)棒受壓縮應(yīng)力作用；冷卻時(shí)棒受拉伸應(yīng)力作用2、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：加熱：表面比內(nèi)部溫度高、表面膨脹比內(nèi)部大，相鄰的內(nèi)部限制表面的自由膨脹，冷卻：表面受拉應(yīng)力、相鄰內(nèi)部受壓應(yīng)力與情況2類似不是機(jī)械力的約束、而是各相間膨脹、收縮的相互制約引起表面受到壓應(yīng)力、相鄰內(nèi)部受到拉應(yīng)力第四節(jié)材料的光學(xué)性質(zhì)光在高科技的地位不斷提高，電子器件和光子器件融合

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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1、光的屬性回顧光的波動(dòng)性與粒子性有些情況波動(dòng)性占主導(dǎo)地位；有些情況粒子性占主導(dǎo)地位波動(dòng)性與粒子性的聯(lián)系方程：光子能量通常意義的光—可見光：電磁破光（電磁）波—橫波，兩個(gè)振動(dòng)矢量：電場(chǎng)強(qiáng)度傳播方向磁場(chǎng)強(qiáng)度電磁波在真空中傳播速度：電磁波在介質(zhì)中傳播速度：介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率2、光與物質(zhì)的作用從一種介質(zhì)（空氣）入射另一種介質(zhì)的光成為四部分：反射、透射、散射、吸收部分入射光束強(qiáng)度，反射強(qiáng)度，透射強(qiáng)度，散射強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度反射率、透射率、散射率、吸收率金屬對(duì)可見光不透明入射光反射吸收b、電子能態(tài)轉(zhuǎn)變光與物質(zhì)間作用的實(shí)質(zhì)光子與物質(zhì)中的原子、離子、電子間的相互作用兩種主要作用：電子極化和電子能態(tài)變化a、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)分量的作用光波的交變電場(chǎng)引起的電子位移極化電子極化: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；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：頻率為的入射光子能量E2

能級(jí)上的電子只有吸收能量為的光子，才能到達(dá)E4

能級(jí)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)格的要求電子能級(jí)晶體吸收光子的情況：晶體中、原來(lái)孤立原子的分立能級(jí)被準(zhǔn)連續(xù)的能帶所取代孤立原子晶體易于實(shí)現(xiàn)躍遷條件躍遷輻射：激發(fā)的逆過程電子在激發(fā)態(tài)停留時(shí)間很短，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)、產(chǎn)生電磁輻射，過程可是直接、也可是間接二、金屬的光學(xué)特性入射光子能量費(fèi)米能級(jí)滿態(tài)空態(tài)金屬的光學(xué)性質(zhì)與金屬的能帶密切有關(guān)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)（絕對(duì)零度下）除高頻電磁輻射—射線、射線外，幾乎所有的低頻輻射光子（無(wú)線電波—紫外），都能被吸收

金屬對(duì)可見光不透明：入射光反射吸收第四節(jié)材料的光學(xué)性質(zhì)一、光的屬性、光與物質(zhì)的作用任意光子總能找到一個(gè)空能級(jí)E、滿足躍遷條件：以下的占有電子能級(jí)金屬不透明，厚的金箔幾乎可吸收全部入射光子滿態(tài)空態(tài)發(fā)射光子反射光：光激發(fā)的電子的躍遷輻射光大多數(shù)金屬的反射系數(shù)：入射光中僅一小部分在金屬表面層內(nèi)以熱的形式損耗掉金屬的顏色：不是由吸收光的波長(zhǎng)決定、而是由反射光的波長(zhǎng)決定日光照射下大多金屬呈現(xiàn)銀灰色有色金屬：反射光中該顏色波長(zhǎng)的可見光成分多三、非金屬的光學(xué)性質(zhì)1、折射對(duì)可見光可能透明或不透明；存在反射、折射、吸收、散射折射：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)方向改變的現(xiàn)象折射率：光在介質(zhì)中的傳播速度與光波波長(zhǎng)有關(guān)：棱鏡的色散介質(zhì)中的光速度：組成原子或離子越大，電子極化愈高、折射率越大大多數(shù)非金屬測(cè)折射率相對(duì)介電常數(shù)：光電場(chǎng)（高頻）下:介質(zhì)極化由電子位移極化決定，離子極化、偶極取向極化幾乎不起作用介質(zhì)的介電性、光速在介質(zhì)中的減小主要由電子位移極化引起介質(zhì)折射率與組成原子或離子的大小有關(guān)：普通玻璃：摻Ba

或Pb

離子玻璃:材料結(jié)構(gòu)的各相異性導(dǎo)致光學(xué)性質(zhì)的