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材料的热学性能(热膨胀)

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  • 卖家[上传人]:F****n
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    • 1、第1章材料的热学性能,第一节晶格振动 第二节材料的热容 第三节材料的热膨胀 第四节材料的热传导,热膨胀:物体的体积或长度在不加外力时随温度升高而增大的现象。 热膨胀系数(thermal expansion coefficient): 式中,l 为线膨胀系数,即温度升高1K时,物体的 相对伸长。表示材料热膨胀特性。 物体在温度 T 时的长度lT为:,第三节 材料的热膨胀,一、热膨胀基本概念,平均线膨胀系数:表示tt0温度范围内线膨胀系数 微分膨胀系数:t0,温度t时刻材料真实的热膨胀特性,一、热膨胀基本概念,一、热膨胀基本概念,体膨胀系数:,温度升高1K时物体体积相对增长值。,微分体膨胀系数:,简谐振动是指质点间的作用力与距离成正比,即微观弹性模量为常数。(平衡位置不变,只适用于热容分析。) 非简谐振动是指作用力并不简单地与位移成正比,热振动不是左右对称的线性振动而是非线性振动。 固体材料热膨胀的本质是 源于材料内部的质点(分子或原子)之间相互作用力关于质点平衡位置的不对称性。,二、固体材料热膨胀机理(heat expansion mechanism),固体材料热膨胀的物理本质:归结为点

      2、阵结构中质点(原子或离子)间平均距离随温度升高而加大。 原因:质点在晶格点阵中作非简谐振动,相邻质点间的作用力实际上是非线性的,并不简单地与位移成正比。,晶格质点振动受力分析,双原子势能曲线:与合力变化相对应,两原子相互势能成一个不对称曲线变化。温度上升,势能增高,不对称性越明显,导致振动中心右移,原子间距增大。宏观上表现为热膨胀。,晶格质点振动能量分析,热膨胀现象的数学推导,两原子势能函数,采用玻耳兹曼统计法,忽略更高次项,计算平均位移,体膨胀系数,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的体积膨胀,而晶格振动的加剧就是热运动能量的增大。 热容的定义是升高1k时能量的增量。,格律爱森(Grueisen)定律指出:体膨胀与定容热容成正比,它们有相似的温度依赖关系,在低温下随温度升高急剧增大(德拜T3定律),而到高温则趋于平缓。,1.温度(热膨胀系数与热容关系),金属材料,2结合能、熔点(热膨胀系数与熔点的关系),随着温度升高,晶格的振动激烈,物体的体积膨胀,到熔点时,热运动将突破原子间的结合力,晶体结构瓦解,物体从固态变成液态。,三、影响固体材料

      3、热膨胀系数的一些因素,质点间接合力强,升高同样的温度,质点振幅增加得较少,故平均位置的位移量增加得较少,因此热膨胀系数较小。一般情况下,原子间结合力越大,膨胀系数就越小。分析材料的热膨胀特性可以间接地获得有关原子间结合力的信息。,3晶体缺陷,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,格尔茨利坎、荻梅斯费尔德等人研究了空位对固体热膨胀的影响。,空位引起的晶体附加体积变化,辐射空位引起热膨胀系数变化,4结构,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,结构紧密的晶体膨胀系数大,结构空敞的晶体膨胀系数小。这是由于开放结构能吸收振动能及调整键角来吸收振动能所导致的。,各向异性的非等轴晶体,热膨胀系数也是各向异性。,5.铁磁性转变-材料磁性讲述,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,6.键性,共价键结合晶体的势能曲线具有比离子键结合势能更高的对称性,因此共价键晶体的热膨胀系数比离子键晶体的小。,四、工程材料的热膨胀特性,钢:碳钢加热或冷却过程中发生一级相变时,钢的体积会发生突变.采用膨胀法测定钢的相变温度. 玻璃:玻璃的结构比具有相同化学组成的晶体更加空敞,具有比相同成分晶体更低的热膨胀系数 石英玻璃的热膨胀系数0.5710-6 石英多晶体的热膨胀系数1210-6 陶瓷:陶瓷通常是一种“多晶多相”系统,在陶瓷制品中,要注意各晶体和相之间热膨胀系数的匹配。,实际材料的热膨胀,陶瓷用氧化物材料金属材料高聚物 聚四氟乙烯: l (10-6K-1) 100 金属铁: 11.8 氧化铝: 8.8,自制立式膨胀仪,自制立式膨胀仪(智能型),卧式膨胀仪,热机械分析仪,谢谢大家!,

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