材料物理性能-第一章-(2)

中国矿业大学 材料学院,材料物理性能,顾修全 xqgucumt.edu.cn,物理,金属,无机非金属,高分子,力学,热学,磁学,电学,光学,物理 科学,材料物理,材料 科学,好的试验结果要有好的理论来解释。 一个试验现象应该有一个相应的理论解释才是完美的。,为什么？,是什么？,材料学,物理学,材料的分类,结构材料（structural materials） 以力学性能为基础，以构造受力构件所用材料。 功能材料（functional materials） 具有优良的电、磁、光、声、热、力、生物医学等功能，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的材料，是新材料的领域的核心。,金属材料,半导体材料,陶瓷材料,高分子材料,电学、热学、磁学性能,电学、光学性能,电学、热学性能,光学、热学、电学性能,课程内容,材料的热学、电学、磁学、光学等性能； 热学、电学、磁学、光学等现象的物理本质； 热学、电学、磁学、光学等性能的测量； 材料物理性能的工程意义及从理论上设计材料。,第一章 材料的热学性能,热容,热膨胀,热传导,热稳定性,在空间科学技术中的应用,现代空间科学技术往往要求材料在变温条件，甚至在 极端温度条件下工作。如空间飞行器从发射、入轨以后的 轨道飞行直到再返回地球的过程中，要经受气动加热的各 个阶段，都会遇到超高温和极低温的问题，必须要有“有 效的隔热与防热措施”，这有赖于对其热过程进行热分析 和热设计，导热系数、比热、导温系数、热发射率、热 膨胀系数和粘度等则是热计算和热设计的关键参数，也是 研制、评价和优选所用隔热和防热材料的主要技术依据。,在能源科学技术中的应用,i) 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。,ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用率。,iii) 太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射， 并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。,在电子技术和计算机技术中的应用,i) 在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中， 要求集成块的基底材料导热性能优良。,ii) 彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部的有 机绝缘片，为了散热而要求具有良好的热导性。,1. 材料的热容,声频支、光频支 热容、比热容 晶态固体的热容 热分析及应用,无机材料,金属材料,声频支、光频支,振动着的质点中包含频率低的格波，质点彼此之间的位 相差不大。可以看成相邻原子具有相同的振动方向。,格波,原子热振动的一种描述，是处于格点上的原子的热振动 可描述成类似于机械波传播的结果。,光频支,声频支,格波中频率高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质 点的运动几乎相反，频率往往在红外区。可以看成相邻 原子具有相反的振动方向。,声频支,光频支,热容、比热容,热容：,比热容：,在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高1 K时所吸收的热量。,等压热容,等容热容,1 kg 物质的热容，它与物质的本性有关。,等压比热容,等容比热容,在固体材料研究中，通常使用摩尔热容。,经典热容理论,均分定理：,把每个原子当作一个三维的独立简谐振子，三个方向的 振动能量完全相同。,晶态固体热容的经验定律,元素热容定律杜隆-伯替定律 恒压下元素的原子热容为25 J/(mol·K) 化合物定律奈曼-柯普定律 化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和,杜隆-伯替定律在低温完全不能适用，需用量子理论解释。,金属铜的摩尔热容-温度曲线,CV,m,O,Cu,T,修正模式量子理论,根据麦克斯韦-玻尔兹曼定律，一个振子的平均能量为：,取前几项，化简得,在高温时，,1 mol固体的平均能量为,所以，固体的摩尔热容为,要想求得 ，必先知道,爱因斯坦模型,德拜模型,爱因斯坦模型,假设：把晶体点阵上的每个原子都看做成独立的振子，而且 都以相同的角频率振动。,爱因斯坦比热函数,令 ，称为爱因斯坦温度。,当高温时，,当低温时，,当 时，,也趋于零。,在该模型中，Cv与温度呈指数律变化，与实验得出的按 T3 变化规律仍有偏差。,德拜模型,假设：晶格为连续介质；晶体振动的长声学波 连续介质的弹性波；在低温频率较低的格波对热容 有重要贡献；纵横弹性波的波速相等。,反应原子间结合力的大小。,假定,德拜温度的求法,通过熔点 通过热容 通过金属中弹性波传播速度,熔点,相对原子质量,原子体积,德拜温度,当高温时，,当低温时，,当 时，,Cv,T,O,，与实验结果吻合。,德拜理论在温度越低的条件下，符合越好。,无机材料的热容,高于 时，趋于常数；低于 时，与 成正比 与材料结构的关系不大 相变时，热容出现了突变 单位体积的热容与气孔率有关,不同温度下某些陶瓷材料的热容,相变时，热容出现了突变。,金属材料的热容,自由电子对热容的贡献,合金成分对热容的影响,相变时的热容变化,自由电子的贡献,常温下，自由电子热容微不足道 高温和低温时，电子热容不能够忽略,点阵振动热容,自由电子热容,合金成分的影响,合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的 乘积之和。,适用于金属化合物、金属与非金属的化合物，但对铁磁 合金不适用。,相变的热容变化,熔化和凝固 一级相变和二级相变 亚稳态组织转变,金属熔化时热焓与温度的关系,Q,0,T,Tm,L,S,qs,液态金属的热容比固态的大。,Q,Q,T,T,T,T,0,0,0,0,一级相变,二级相变,Tc,Tc,一级相变有潜热，热容有突变； 二级相变无潜热，热容无突变。,热容与比热容的测量,量热计法 撒克司法 斯密特法 热分析测定法,量热计法,将试样加热到一定温度，经保温后放入装有水或其它 液体的量热计中进行测量的一种方法。,正向量热计法 反向量热计法,电热法,撒克司法,将试样放入一个箱子中，用电阻丝加热试样，使 试样在箱温上下很小的范围内波动，箱温随时间作单 调变化，得到试样的比热容。,高温下测量比热容的方法,由于材料热容测量中严格的绝热要求难以实现， 所以发展了广泛用于相变测试的热分析法。,普通热分析,（示）差热分析,准确度和灵敏度高,准确度和灵敏度低,热分析,热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质随 温度变化的一类技术。,差热分析（DTA）,差示扫描量热法（DSC）,热重分析法（TG）,热膨胀分析,微量分析,几种主要的热分析方法,热分析应用,建立合金相图,热弹性马氏体相变研究,液晶相变研究,合金的有序-无序转变研究,差热分析,差热分析仪,差示扫描量热计,热重分析仪,水泥灰浆的同步热分析TG-DSC曲线,磷酸亚铁的TG-DSC曲线,海泡石（Mg8Si12O30(OH)4(OH2)48H2O）的DTA曲线,小节,声频支、光频支 热容、比热容 晶态固体的热容 热分析及应用,无机材料,金属材料,习题,1-1 为什么说材料热学性能的物理本质都与晶格热振动有关？ 1-2 分别计算室温298 K及高温1100 K时莫来石陶瓷 的热容，并将其与按照经典理论计算的结果相比较。,第一章 材料的热学性能,热容,热膨胀,热传导,热稳定性,2. 材料的热膨胀,热膨胀系数 热膨胀的物理本质 热膨胀与其他物理性能的关系 影响热膨胀性能的因素 热膨胀系数的测量 热膨胀的工程应用,热膨胀系数,温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。,平均线膨胀系数,微分线膨胀系数,体膨胀系数,各向同性,各向异性,部分材料的线性膨胀系数,某些无机材料的热膨胀系数与温度之间的关系,无机材料的线膨胀系数 一般都不大,热膨胀系数的重要性,研究固态相变 仪表工业 多相多晶材料以及复合材料的选材 反映材料的热稳定性的重要参数,2. 材料的热膨胀,热膨胀系数 热膨胀的物理本质 热膨胀与其他物理性能的关系 影响热膨胀性能的因素 热膨胀系数的测量 热膨胀的工程应用,物理本质（作用力曲线解释）,原子热振动是非线性的！,温度升高，原子振动激烈。,原子向右移动的幅度更大一些， 导致振动中心右移。,0 K时，原子处在平衡位置。,物理本质（势能曲线解释）,势能曲线不是对称的！,0 K时，原子的势能最低。,温度升高，原子的势能增加。,势能曲线的不对称，使振动 中心右移。,2. 材料的热膨胀,热膨胀系数 热膨胀的物理本质 热膨胀与其他物理性能的关系 影响热膨胀性能的因素 热膨胀系数的测量 热膨胀的工程应用,与其他物理性能的关系,体膨胀与定容热容成正比，并且它们有相似依赖关系。,1、与热容的关系,格律乃森定律,Al2O3的热容和膨胀系数随温度的变化,金属的结合力越大，熔点越高，其膨胀系数越小。,2、与结合能、熔点的关系,几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点,3、与结构的关系,对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。,而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。,温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系 数的改变。,ZrO2陶瓷的热膨胀曲线,1000时,单斜晶型,四方晶型,发生体积收缩 4 %,2. 材料的热膨胀,热膨胀系数 热膨胀的物理本质 热膨胀与其他物理性能的关系 影响热膨胀性能的因素 热膨胀系数的测量 热膨胀的工程应用,影响热膨胀性能的因素,相变的影响 成分和组织的影响 各向异性的影响,相变的影响,一级相变：体积突变，有相变潜热。 二级相变：无体积突变和相变潜热； 但膨胀系数和比热容有突变。,直接用热膨胀实验分析,用热膨胀实验可以研究二级相变,二级相变,同素异构体转变 有序无序转变 温度变化时发生的晶型转变,Fe：相 相,Cu-Au合金,影响热膨胀性能的因素,相变的影响 成分和组织的影响 各向异性的影响,化学成分的影响,固溶体的热膨胀系数略低于按直线规律计算的值。,Cu Au合金固溶体的膨胀系数,0,20,40,60,80,100,rE / %,l,Cu Au合金 膨胀系数,两相材料热膨胀系数计算值的比较,多相合金体的膨胀系数主要取决于组成相的性质和数量,内应力抑制了热膨胀,2. 材料的热膨胀,热膨胀系数 热膨胀的物理本质 热膨胀与其他物理性能的关系 影响热膨胀性能的因素 热膨胀系数的测量 热膨胀的工程应用,热膨胀的测量,光学膨胀仪 电测试膨胀仪 机械式膨胀仪,光杠杆膨胀仪 光干涉法,电感式膨胀仪 电容式膨胀仪,千分表式膨胀仪 杠杆式膨胀仪,光杠杆式膨胀仪原理图,光,底片,标准试样,待测试样,热膨胀测试仪（德国耐驰公司）,测试原理： 将样品放入炉体内，施一定 温度程序，此时样品长度的变化 通过推杆传递到左侧的检测单元， 并由位移传感器测量得到结果。,热膨胀仪典型图谱,2. 材料的热膨胀,热膨胀系数 热膨胀的物理本质 热膨胀与其他物理性能的关系 影响热膨胀性能的因素 热膨胀系数的测量 热膨胀的工程应用,热膨胀的工程应用,1、热膨胀的工程意义,陶瓷工业,薄膜生长,航天器的设计,金属的表面改性,施釉技术,釉层的膨胀系数比坯体要小,2、热膨胀分析的应用,膨胀分析对研究钢在加热、等温、连续冷却和回火 过程中的转变非常有效。,确定钢的组织转变点,研究加热转变,小节,热膨胀系数 物理本质 与其他物理性能的关系 影响因素 测量方法 热膨胀的工程应用,习题,1-3 试结合热膨胀机理分析，即使在相同的室温条件下，不同的固体材料也往往具有不同的热膨胀系数的原因。 1-4 试分析应如何选择陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数，可以使制品的力学强度得以提高。,第一章 材料的热学性能,热容,热膨胀,热传导,热稳定性,热传导的应用,3. 材料的热传导,宏观定律 微观物理机理 一般规律魏德曼-弗兰兹定律 影响因素 热导率的测量,基本概念和定律,温度梯度、热导率（导热系数）、热扩散率（导温系数）、热阻； 稳定传热过程、不稳定传热过程； 傅里叶定律,材料的热传导,固体材料在温度梯度的作用下，热量从热端自动传向冷端。,材料的热传导,稳定传热过程,非稳定传热过程,表征物体温度变化的速率， 越大的材料各处温度变化越快， 温差越小，达到温度一致的时间越短。,