第一章-材料的热学性能...ppt

材料物理性能检测标准 中国计量学院标准化学院主讲 史耀君 课程体系 材料科学基础 标准化入门 标准化基础 标准化原理 材料标准化 大学物理 材料物理性能检测标准 课程介绍 材料物理性能检测标准 是标准化工程专业材料标准化方向教学计划中一门理论性和实践性很强的专业基础课 该课程在学习 高等数学 大学物理 材料科学基础 等课程的基础上 学习有关材料物理性能等分析测试的基本理论和技术 为后续材料专业检测标准学习打基础 课程的任务是通过本课程的学习 使学生掌握材料热学 电学 磁学 光学和弹性等性能的分析测试标准化方法与技术 学生通过本课程的学习 可以在以后制定材料检测技术标准的学习和研究过程中应用所学的知识分析问题 解决问题 课程介绍 成绩构成 平时成绩 30 期末考试 70 平时成绩 课堂出勤 课堂回答 课后作业 实践环节等 考核方式 考试 课程介绍 推荐教材 1 邱成军 王元化 王义杰等 材料物理性能 哈尔滨工业大学出版社 2003 主要参考书 1 马小娥主编 材料实验与测试技术 中国电力出版社 2008 2 吴其胜主编 材料物理性能 华东理工大学出版社 2006 第四章材料的光学性质 课程介绍 第六章核物理检测方法及其应用 课程介绍 实践一材料导电性能的测量 实践二振动样品磁强计 VSM 测试及分析 实践三BH测试仪及其PFM磁性测量系统 实践四材料弹性模量的测量 课程介绍 课程介绍 引言 材料科学与工程四要素 引言 引言 材料的物理性能有哪些 电 介电 热 光 磁 弹性和内耗 本课程的学习就是以上述这些物理性能为主要内容 研究其物理本质 测试方法以及测试标准 第一章材料的热学性能 材料的热学性能 主要包括热容 热膨胀 热传导 热稳定性等 教学内容 1 1概述1 2材料的热容1 3材料的热膨胀1 4材料的热传导1 5材料的热稳定性 热学性能的主要应用 微波谐振腔 精密天平 标准尺 标准电容等使用的材料要求的热膨胀系数低 电真空封装材料要求具有一定的热膨胀系数 热敏元件要求尽可能有高的热膨胀系数 工业炉衬 建筑材料 以及航天飞行器重返大气层的隔热材料要求具有优良的隔热性能 晶体管散热器等要求优良的导热性能 1 1概述 式中 微观弹性模量 质点质量 质点在x方向上位移 热性能的物理本质 晶格热振动 根据牛顿第二定律 一维简谐振动方程为 1 1概述 温度升高时 动能加大 振幅和频率均加大 晶胞中每个质点所处的环境不同 不同 每个质点在热振动时都有一定的振动频率 N个不同质点 就有N个频率组合在一起 各质点热运动时 动能的总和为物体的热量 热运动能量 i 热量 1 1概述 晶格振动对晶体的物理性质有影响 例如 固体的比热 热膨胀 热传导等直接与晶格的振动有关 晶格振动的传播 以弹性波 格波 的形式 由于材料中质点间有很强的相互作用力 因此一个质点的振动会使临近质点随之振动 因相邻质点间的振动存在一定的相位差 故晶格振动以弹性波的形式 格波 在整个材料内传播 弹性波是多频率振动的组合波 1 1概述 格波 晶格中的所有质点以相同频率振动而形成的波 或某一个质点在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波 格波的特点 晶格中质点的振动 相邻质点间存在固定的位相 1 1概述 根据振动频率的高低 分为声频支振动和光频支振动 红外光区 频率甚低的格波 质点彼此之间的位相差不大 则格波类似于弹性体中的应变波 称为 声频支振动 对于声学波 相邻原子都是沿着同一方向振动 当波长很长时 声学波实际上代表原胞质心的振动 1 1概述 格波中频率甚高的振动波 质点彼此之间的位相差很大 邻近质点的运动几乎相反时 频率往往在红外光区 称为 光频支振动 原胞的质心保持不动 由此也可以定性的看出 光学波代表原胞中两个原子的相对振动 如离子晶体中正负离子间的相对振动 1 1概述 由于光频支是不同原子相对振动引起的 所以一个分子中有n个不同原子 会有 n 1 个不同频率的光频波 如果晶格有N个分子 则有个N n 1 光频波 对于离子晶体 可利用红外吸收光谱 通过共振吸收 了解离子间的结合情况 1 1概述 热容是物体温度升高1K所需要增加的能量 它反映材料从周围环境中吸收热量的能力 是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量 不同环境下 物体的热容不同 J K 1 2材料的热容 1 定容热容Cv在加热过程中体积不变 不对外做功 所供给的热量只用于物体内能增加 1 2材料的热容 2 定压热容Cp在加热过程中压强不变 所供给的热量除了用于物体内能增加外 还对外做功 1 2材料的热容 3 比热容质量为1Kg的物质在没有相变和化学反应条件下升高1K所需的热量 它与物质的本性有关 通常用小写的英文字母c表示 单位为J kg K 1 2材料的热容 4 摩尔热容质量为1mol的物质在没有相变和化学反应条件下升高1K所需的热量 它与物质的本性有关 通常用大写的英文字母Cm表示 单位为J mol K 1 2材料的热容 实际中测得的热容是定压热容Cp 通常简称热容 由于定容热容CV反映系统内能的变化 由其可直接计算系统的能量增量 其更有理论意义 定压热容Cp 定容热容CV 计算 在固体材料的研究中 通常使用摩尔热容表示热容 1 2材料的热容 根据热力学第二定律可以导出 Vm摩尔体积 体膨胀系数 压缩系数 1 2材料的热容 对于固体材料CP m与CV m差异很小 1 2材料的热容 热容是随温度而变化的 在不发生相变的条件下 多数物质的摩尔热容测量表明 定容热容C和温度的关系与定压热容有相似的规律 1 在高温区Cv的变化平缓 2 低温区Cv T3 3 温度接近0K时 Cv T 4 0K时 Cv 0热容来源 受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功 此外还和电子贡献有关 后者在温度极高 接近熔点 或极低 接近0K 的范围内影响较大 在一般温度下则影响很小 1 2材料的热容 1 3 1热膨胀系数物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀 式中 l 线膨胀系数 即温度升高1K时 物体的相对伸长 物体在温度T时的长度lT为 1 3材料的热膨胀 无机材料的 l通常随T升高而加大 同理 物体体积随温度的增加可表示为 式中 V体膨胀系数 相当于温度升高1k时物体体积相对增长值 对于物体是立方晶体由于 l值很小 可略以上的高次项 则 1 3材料的热膨胀 与上式比较 就有以下近似关系 对于各向异性的晶体 各晶轴方向的线膨胀系数不同 假如分别为 a b c 则同样忽略 二次方以上项 所以 1 3材料的热膨胀 1 3 2热膨胀的物理本质 当物体温度升高时 晶体中原子的振动加剧 相邻原子之间的平衡距离也随温度变化而变化 因此温度升高而发生膨胀现象 一般膨胀系数的精确表达式 1 3材料的热膨胀 1 3材料的热膨胀 势能曲线不是严格对称抛物线 随着温度的升高 原子的振动能量 最大势能增加 振动原子的平衡位置漂移 造成平衡距离的增大 发生晶格膨胀 1 3材料的热膨胀 1 膨胀系数与热容的关系格律乃森根据晶格热振动理论导出了它们之间的关系 格律乃森定律指出 体膨胀与定容热容成正比 它们有相似的温度依赖关系 r为格律乃森常数 K0为0K时的体积弹性模量 1 3 3热膨胀与其它物理性能的关系 2 膨胀系数与熔点的关系 格律乃森总结出金属膨胀系数与熔点的反比例关系 为熔点温度 为熔点温度固态金属的体积 为0K金属的体积 C为常数 约在0 06 0 076之间 熔点较高的金属 具有较低的膨胀系数 1 相变的影响 一级相变 有潜热 比热容无限大 体积发生突变 膨胀系数发生突变 二级相变 无潜热 无体积发生突变 比热容和膨胀系数发生突变 1 3 4影响膨胀性能的因素 2 不同结构形态的物质 对于相同组成的物质 结构紧密的晶体膨胀系数大 单晶 多晶 纳米 非晶 孔隙越多 膨胀系越小 2 组织成分的影响 1 形成固溶体 固溶体的膨胀与溶质元素的膨胀系数和含量有关 溶质元素的膨胀系数高于溶剂基体时 将增大膨胀系数 1 3 4影响膨胀性能的因素 3 各向异性的影响单晶体的线性膨胀系数是各向异性的 不同的晶向有不同的线膨胀系数 因而单晶体的膨胀特性不能以单一的量值表征 4 铁磁性转变的影响铁磁性金属和合金 比如铁 钴 镍及其某些磁性合金 1 3 4影响膨胀性能的因素 膨胀测量是材料热性能的一种物理方法 核心 设法将膨胀量放大 精确测量热膨量 测量方法 光学式 电测式 机械式 1 3 5膨胀的测量 1 光学膨胀仪 1 光杠杆膨胀仪 2 光干涉法2 电测式膨胀仪 1 电感式膨胀仪 2 电容式膨胀仪3 机械式膨胀仪 1 千分表式膨胀仪 2 杠杆式膨胀仪 1 3 5膨胀的测量 主要用于相转变和结构转变的研究 一级相变 有潜热 比热容无限大 体积有突变 膨胀系数发生突变 二级相变 无潜热 体积无突变 比热容和膨胀系数发生突变 依据 1 3 6膨胀分析的应用 1 4 1热传导的基本概念和定律1 傅里叶定律和热导率 热导率 单位温度梯度下 单位时间内通过单位截面积的热量 热传导 不同温度的物体或区域 在相互靠近或接触时 会以传热的形式交换能量 能量迁移 温度梯度 单位长度的温度变化 矢量 方向指向温度升高方向 1 4材料的热传导 板材厚度为 板两面温差为 板的面积为则单位时间通过该板面的热量为 称为热量迁移率 傅立叶 Fourer 定律 由于热量沿温度降低的方向流动 热量迁移率方向与温度梯度方向相反 所以二量符号相反 1 4材料的热传导 2 热扩散率对于不稳定导热过程的体系 引入热扩散率来描述体系的热传导能力和温度长随时间的变化 为热扩散率 为热导率 为密度 c为比热容 在不稳定热传导过程中 材料内经历着热导的同时 还有温度场随时间的变化 越大的材料各处的温差越小 主要用于计算材料达到均匀温度所用的时间 1 4材料的热传导 固体的导热机制 热传导过程是材料内部的能量传输过程 在固体中其载体有 自由电子 声子 点阵波 和光子 电磁辐射 固体的导热包括 电子导热 声子导热和光子导热三种形式 借助气体导热系数公式近似描述固体材料中电子 声子和光子的导热机制 则有 1 4 2热传导的物理机制 光子热导率与温度的关系 1 光子热导 只在极高温度才考虑 其它温度时不考虑其影响 通常固体的热导为 比热容 速度 平均自由程 1 4 2热传导的物理机制 2 电子和声子热导 电子和声子的热导率分别与其平均自由程成正比 平均自由程大小由散射过程决定 1 4 2热传导的物理机制 1 金属导热机制 电子导热率约是声子的导热率的30倍 电子导热起主要作用 2 半导体导热机制 电子导热和声子导热率的作用大体相当 3 绝缘体导热机制 声子导热其主要作用作用 1 4 2热传导的物理机制 魏德曼定律 在室温下 金属的热导率与电导率之比不随金属材料而改变 比值与温度成正比 一般经验规律 为洛伦兹数 洛伦兹数只有在0 以上的较高温度时才近似为常数 在0 以下随温度的降低而减小 在趋近于绝对零度时为0 低温时电子的作用减弱 声子作用逐渐显现 1 4 3热传导的一般规律 1 温度对金属热导率的影响 对金属热传导其阻挡作用的主要有 缺陷阻挡和声子阻挡两部分 低温 缺陷阻挡起主要作用 高温 声子阻挡起主要作用 中温 声子阻挡和缺陷阻挡都起作用 1 4 4热传导的影响因素 玻璃体 一般有热导率随温度的升高而增大的规律 1 4 4热传导的影响因素 2 原子结构对热传导的影响 根据魏德曼定律 金属的电导率越高 热传导性能越好 电子结构对热传导性有重大影响 1 4 4热传导的影响因素 3 合金成分和晶体结构对热传导的影响 合金中由于加入杂质元素使杂质缺陷形成的热阻增强 使得热导率降低 杂质原子与金属原子的结构差异越大 影响越大 1 4 4热传导的影响因素 4 气孔率对热传导的影响 气孔率越大 热导率越低 原因 空气是热的不良导体 绝热材料多采用多孔材料 1 4 4热传导的影响因素 通常低温时有较高热导率的材料 随着温度升高 热导率降低 如石墨 BeO和MgO等 低温时有较低热导率的材料 随着温度升高 热导率升高 1 4 5某些无机材料的热导率 1 4 5某些无机材料的热导率 1 稳态法 2 非稳态法 1 4 6热导率的测量 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力 热冲击损坏类型 1 一种是在热冲击循环作用下 材料表面开裂 剥落 并不断发展 最终碎裂或变质 抵抗这类破坏的能力称为抗热冲击损伤性 2 一种是材料发生瞬时断裂 抵抗这类破坏的能力称为抗热冲击断裂性 1 5材料的热稳定性 不改变外力作用状态 材料仅因热冲击造成开裂和断裂而损坏 这是由于材料在温度作用下产生的内应力超过了材料的力学强度极限所致 材料的内应力 热应力 1 5 1热稳定的表示方式 热稳定因子 1 5 2热应力及第一热应力断裂抵抗因子 弹性模量 线性膨胀系数 1 5材料的热稳定性 1 5材料的热稳定性 1 第一热应力断裂抵抗因子R 值愈大 说明材料能承受的温度变化愈大 即热稳定性愈好 定义 为泊松系数 R表示材料热稳定性的因子 称为第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子 1 5材料的热稳定性 2 第二热应力断裂抵抗因子R 材料是否出现热应力断裂 因然与热应力密切相关 但还与材料中应力的分布 产生的速率和持续时间 材料特性 如塑性 均匀性 驰豫性 以及原先存在的裂纹 缺陷等有关 R 表示材料热稳定性的因子 单位J cm s 称为第二热应力断裂抵抗因子或第二热应力因子 为泊松系数 1 5材料的热稳定性 热应力引起的材料断裂破坏 还涉及到材料的散热问题 散热使热应力得以缓解 与此有关的因素包括 1 材料的热导率 愈快 热应力