材料科学与技术-讲义-材料的热性质与光性质

1、2021/3/10讲解：XX1 第三节第三节 材料的热性能材料的热性能 一、材料的热容一、材料的热容 1、经典热容理论、经典热容理论 2、爱因斯坦热容模型、爱因斯坦热容模型 3、德拜热容模型、德拜热容模型 二、材料的热膨胀二、材料的热膨胀 2021/3/10讲解：XX2 二、材料的热膨胀二、材料的热膨胀 1、热膨胀系数、热膨胀系数所有材料都有热胀冷缩性所有材料都有热胀冷缩性 平均线热膨胀系数：平均线热膨胀系数： )( 121 12 1 TTl ll Tl l l 热膨胀系数热膨胀系数 : 1 l: 2 l温度温度 T1 时的试样长度；时的试样长度；温度温度 T2 时的试样长度时的试样长度 平均

2、体热膨胀系数：平均体热膨胀系数： )( 121 12 1 TTV VV TV V V : 1 V: 2 V温度温度 T1 时的试样体积；时的试样体积；温度温度 T2 时的试样体积时的试样体积 热膨胀系数一般是温度的函数热膨胀系数一般是温度的函数 线热膨胀系数线热膨胀系数和和体热膨胀系数体热膨胀系数 2021/3/10讲解：XX3 2、热膨胀的起因、热膨胀的起因 温度温度 T 时的线时的线 热膨胀系数：热膨胀系数： 温度温度 T 时的体时的体 热膨胀系数：热膨胀系数： 热膨胀系数是工程上重要的物理参数之一：热膨胀系数是工程上重要的物理参数之一： ldT dl VdT dV 许多材料的线热膨胀系数

3、是各相异性许多材料的线热膨胀系数是各相异性 各向同性材料（立方系）：各向同性材料（立方系）： 3 材料间的封接，真空系统中要求材料的热膨胀系数材料间的封接，真空系统中要求材料的热膨胀系数 相近、否则易漏气；多晶、多相的复杂结构的材料相近、否则易漏气；多晶、多相的复杂结构的材料 中，各相、各方向膨胀系数的不同会引起热应力中，各相、各方向膨胀系数的不同会引起热应力 热膨胀的本质：热膨胀的本质：原子平均距离随温度的增大原子平均距离随温度的增大 a da V dV aV 3 3 2021/3/10讲解：XX4 起因于：起因于： 原子间作用力随距离原子间作用力随距离 非线性变化、原子的非线性变化、原子的

4、 振动是非简谐振动振动是非简谐振动 0 r 距离距离 r 力力 )(rF 引力引力 斥力斥力 合合 力力 平衡位置平衡位置 (合力为零合力为零)的的 两侧合力曲线的斜率不等两侧合力曲线的斜率不等 0 r 0 r r )(rU 0 原子相互作用势能曲线原子相互作用势能曲线 势能曲线关于势能曲线关于 处的虚线不对称处的虚线不对称 0 r 原子间作用力原子间作用力 : 0 rr : 0 rr 作用力和势能曲线的斜率较大；作用力和势能曲线的斜率较大； 作用力和势能曲线的斜率较小；作用力和势能曲线的斜率较小； 0 2021/3/10讲解：XX5 3、影响热膨胀因素、影响热膨胀因素 0 r r )(rU

5、0 原子振动时的平均距离原子振动时的平均距离： 0 rr 温度越高、振幅越大，原子在平温度越高、振幅越大，原子在平 衡位置两侧受力的不对称越显著，衡位置两侧受力的不对称越显著， 新平衡位置右移越多、新平衡位置右移越多、 越大，越大， 晶体膨胀越大。晶体膨胀越大。 r 温度温度 T、 平均位置平均位置 原子振原子振 动能量动能量 原子平均间距原子平均间距 随温度的变化：随温度的变化： 1 T 2 T 3 T4 T 热膨胀与结构有关：热膨胀与结构有关：: g TT 非晶材料属液相结构，材料的热膨胀除起因非晶材料属液相结构，材料的热膨胀除起因 于原子间距的增大外、还与材料中的自由体于原子间距的增大外

6、、还与材料中的自由体 积（积（未被原子占据的空穴未被原子占据的空穴）的膨胀有关）的膨胀有关 2021/3/10讲解：XX6 热膨胀与原子结合键有关：热膨胀与原子结合键有关： 结合键强、热膨胀小结合键强、热膨胀小 离子键、共价键结合的材料：离子键、共价键结合的材料：热膨胀小；热膨胀小； 以共价键和以共价键和范德瓦尔斯结合的聚合物范德瓦尔斯结合的聚合物：热膨胀系数最大：热膨胀系数最大 金属键：金属键：具有中等的热膨胀系数；具有中等的热膨胀系数； 材料材料陶瓷陶瓷金属金属聚合物聚合物 )( 1 C o 6 10155 . 0 6 10255 6 1030050 2021/3/10讲解：XX7 三、材

7、料的导热性三、材料的导热性 1、傅里叶导热定律、傅里叶导热定律 1 T 2 T x 材料温度不均匀时，或两温度不同的物体相材料温度不均匀时，或两温度不同的物体相 接触时，热量自动从高温区向低温区传递接触时，热量自动从高温区向低温区传递 热传导：热传导： 均匀金属棒的两端分均匀金属棒的两端分 别与两恒温热源接触别与两恒温热源接触 热平衡时各处的温热平衡时各处的温 度不随时间变化度不随时间变化 稳态稳态 热流密度：热流密度：单位时间内通过与热传导方向垂直的单位时间内通过与热传导方向垂直的 单位面积的热能单位面积的热能 通过金属棒的热流密度：通过金属棒的热流密度： dx dT q 负号：负号：热能从

8、高热能从高 温向低温传递温向低温传递 2021/3/10讲解：XX8 dx dT q:热导率，热导率， )/(skmJ 单位单位： or)/(kmW 热导率反映材料的导热能力、不同材料的导热能力差异很大热导率反映材料的导热能力、不同材料的导热能力差异很大 绝缘材料：绝缘材料： 金属：金属：合金：合金： 非金属：非金属： )/(41550kmW12012 7 . 017. 017. 003. 0 2、热传导机理（微观机制）、热传导机理（微观机制） 固体的组成质点只能在平衡位置附近作微小固体的组成质点只能在平衡位置附近作微小 振动，不能像气体依靠分子碰撞传递热量振动，不能像气体依靠分子碰撞传递热量

9、 固体导热机制：固体导热机制：声子（晶格振动的晶格波）和自由电子声子（晶格振动的晶格波）和自由电子 固体热导率：固体热导率： eph : ph : e 声子热导率声子热导率电子热导率电子热导率 2021/3/10讲解：XX9 eph 非金属材料：非金属材料：以声子导热为主以声子导热为主 纯金属：纯金属： phe 以电子导热为主以电子导热为主 合金：合金： 电子和声子共同起作用电子和声子共同起作用 a、金属的热导率、金属的热导率 金属主要金属主要热载流子热载流子 自由电子自由电子 （电载流子电载流子） 热导率和电导率间的联系：热导率和电导率间的联系： 不太低的温度下不太低的温度下TL e0 /

10、（Wiedemann Franz 首先发现）首先发现） 金属热导率与电导率之比正比于温度金属热导率与电导率之比正比于温度 : 0 L 洛仑兹系数洛仑兹系数 (Lorentz number) 理论值：理论值： )/(1045. 2 228 0 kVL 2021/3/10讲解：XX10 b、合金的热导率、合金的热导率 如同合金的电导率比纯金属的电导率，如同合金的电导率比纯金属的电导率，合金 合金 金属金属 原因：原因：合金中的自由电子受合金晶格、合金中的自由电子受合金晶格、 杂质、非均匀相的散射强烈杂质、非均匀相的散射强烈 Znwt 0 0 10203040 )./(KmW 100 200 300

11、 0 400 组成，组成， 热导率热导率 Cu Zn 合金热导率合金热导率 随随Zn 含量的变化含量的变化 Zn 含量增加、热导率下降含量增加、热导率下降 c、非金属、非金属 （ 陶瓷）、聚合物的热导率陶瓷）、聚合物的热导率 传递热量的热载流子主要是声子传递热量的热载流子主要是声子 陶瓷的组成和结构远比金属复杂：陶瓷的组成和结构远比金属复杂： 除晶相、还包括玻除晶相、还包括玻 璃相及一定的空隙璃相及一定的空隙 2021/3/10讲解：XX11 声子在传播时受原子构成高度声子在传播时受原子构成高度 无序的不均匀相的强烈地散射无序的不均匀相的强烈地散射 热的不良导体、热热的不良导体、热 导率远小于

12、金属导率远小于金属 陶瓷中的空隙对热导率影响最大，陶瓷中的空隙对热导率影响最大，空隙率高、导热率低空隙率高、导热率低 多孔陶瓷、多孔聚合物多孔陶瓷、多孔聚合物绝热材料绝热材料 四、材料的热应力四、材料的热应力 材料热胀或冷缩引起的内应力材料热胀或冷缩引起的内应力热应力：热应力： 引起材料塑性变形、特性变化、甚至断裂引起材料塑性变形、特性变化、甚至断裂 热应力主要来源下列三个方面：热应力主要来源下列三个方面： 1、热胀冷缩受到限制产生的热应力、热胀冷缩受到限制产生的热应力 均质、各向同性的棒，受到均匀加均质、各向同性的棒，受到均匀加 热或冷却、棒内不存在温度梯度热或冷却、棒内不存在温度梯度 20

13、21/3/10讲解：XX12 若棒两端未被夹持：若棒两端未被夹持：棒能自由膨胀或收缩、内部无热应力棒能自由膨胀或收缩、内部无热应力 若棒两端被刚性固定：若棒两端被刚性固定： 温度：温度： f TT 0 热应力：热应力： :E 0 /llT l 弹性模量弹性模量；应变应变、线性相对变化量、线性相对变化量 : 0 TTf : 0 TTf TETTE lfl )( 0 0 0 加热时加热时棒受压缩应力作用；棒受压缩应力作用； 冷却时冷却时 棒受拉伸应力作用棒受拉伸应力作用 2、温度梯度产生的热应力、温度梯度产生的热应力 材料受热或冷却时，内部温度分布与其形材料受热或冷却时，内部温度分布与其形 状、大

14、小及热导率，和温度变化率有关状、大小及热导率，和温度变化率有关 2021/3/10讲解：XX13 3、多相复合材料中各相膨胀系数不同引起的热应力、多相复合材料中各相膨胀系数不同引起的热应力 材料中若有温度梯度，引起热应力材料中若有温度梯度，引起热应力 例：材料被从外部迅速加热或冷却：例：材料被从外部迅速加热或冷却： 加热：加热：表面比内部温度高、表面膨胀比内部大，相邻的表面比内部温度高、表面膨胀比内部大，相邻的 内部限制表面的自由膨胀，内部限制表面的自由膨胀，表面受到压应力、表面受到压应力、 相邻内部受到拉应力相邻内部受到拉应力 冷却：冷却：表面受拉应力、相邻内部受压应力表面受拉应力、相邻内部

15、受压应力 与情况与情况2类似类似 不是机械力的约束、而是各相不是机械力的约束、而是各相 间膨胀、收缩的相互制约引起间膨胀、收缩的相互制约引起 2021/3/10讲解：XX14 第四节第四节 材料的光学性质材料的光学性质 光在高科技的地位不断提高，电子器件和光光在高科技的地位不断提高，电子器件和光 子器件融合、光集成器件是重要的研究方向子器件融合、光集成器件是重要的研究方向 一、光的属性、光与物质的作用一、光的属性、光与物质的作用 1、光的属性回顾、光的属性回顾 光的波动性与粒子性光的波动性与粒子性 有些情况波动性占主导地位；有些情况波动性占主导地位； 有些情况粒子性占主导地位有些情况粒子性占主

16、导地位 波动性与粒子性的联系方程：波动性与粒子性的联系方程： /hChE光子能量光子能量 通常意义的光通常意义的光 可见光：可见光：m7 . 04 . 0: 电磁破电磁破 2021/3/10讲解：XX15 光（电磁）波光（电磁）波 横波，两个振动矢量横波，两个振动矢量： 电场强度电场强度 H E 传播方向传播方向 磁场强度磁场强度 E H 电磁波在真空中传播速度：电磁波在真空中传播速度： 00 /1C 电磁波在介质中传播速度：电磁波在介质中传播速度： rr C/1v :, rr 介质的相对介电常数和相对磁导率介质的相对介电常数和相对磁导率 2、光与物质的作用、光与物质的作用 从一种介质（空气）

17、入射另从一种介质（空气）入射另 一种介质的光成为四部分一种介质的光成为四部分： 反射、透射、散反射、透射、散 射、吸收部分射、吸收部分 ATR IIIII 0 2021/3/10讲解：XX16 ATR IIIII 0 : 0 I: R I: T I : I: A I 入射光束强度，入射光束强度，反射强度，反射强度，透射强度，透射强度， 散射强度，散射强度，吸收强度吸收强度 1/ 0000 IIIIIIII ATR 1ATR 反射率、透射率、散射率、吸收率反射率、透射率、散射率、吸收率 金属对可见光不透明金属对可见光不透明入射光入射光 反射反射 吸收吸收 2021/3/10讲解：XX17 b、电

18、子能态转变、电子能态转变 光与物质间作用的实质光与物质间作用的实质 光子与物质中的原子、离光子与物质中的原子、离 子、电子间的相互作用子、电子间的相互作用 两种主要作用：两种主要作用：电子极化电子极化和和电子能态变化电子能态变化 a、电子极化、电子极化 光波中电场分量对物质的作用远大于磁场分量的作用光波中电场分量对物质的作用远大于磁场分量的作用 光波的交变电场引起的电子位移极化光波的交变电场引起的电子位移极化电子极化电子极化: 电子极化吸收部分光能、引起光速减小、导致光的折射电子极化吸收部分光能、引起光速减小、导致光的折射 光子的吸收或散射一般涉及电子能态的转变光子的吸收或散射一般涉及电子能态

19、的转变 光子因被吸收或被散射而消失或改变方向和能量；光子因被吸收或被散射而消失或改变方向和能量； 电子因吸收光子的能量而被激发到高能态电子因吸收光子的能量而被激发到高能态 2021/3/10讲解：XX18 孤立原子吸收光子的情况：孤立原子吸收光子的情况： 1 E 5 E 4 E 3 E 2 E 频率为频率为 的的 入射光子入射光子 42 能能 量量 E2 能级上的电子能级上的电子 只有吸收能量为只有吸收能量为 4224 hEEE 的光子，才能的光子，才能 到达到达 E4 能级能级 孤立原子能级是分立能级，电子孤立原子能级是分立能级，电子 对吸收光子的能量有严格的要求对吸收光子的能量有严格的要求

20、 jiij EEh , i E: j E电子能级电子能级 晶体吸收光子的情况：晶体吸收光子的情况： 晶体中、原来孤立原晶体中、原来孤立原 子的分立能级被准连子的分立能级被准连 续的能带所取代续的能带所取代 i E j E i j 孤立原子孤立原子 晶体晶体 2021/3/10讲解：XX19 jiij EEh易于实现易于实现跃迁条件跃迁条件 跃迁辐射：跃迁辐射：激发的逆过程激发的逆过程 电子在激发态停留时间很短，由激发态回到基态、电子在激发态停留时间很短，由激发态回到基态、 产生电磁辐射，过程可是直接、也可是间接产生电磁辐射，过程可是直接、也可是间接 二、金属的光学特性二、金属的光学特性 E 入射入射 光子光子 能量能量 费费 米米 能能 级级满满 态态 空态空态 金属的光学性质与金属的能带密切有关金属的光学性质与金属的能带密切有关 费米能级以上为