塞贝克效应产生热电势和热电流

1、材料勸銀牲健1材料的性能问题回顾研究材料和生产材料的目的f应用材料f材料能否达到要求和优劣、性能价格比（科技发展对材料的性能要求越来越高）。对于每一实际应用的材料f要求其具有一种或多种（综合）性能。有些场合要求材料某方面的指标越高越好，如超导材料：在努力 提高其临界温度Tc,扩大其应用领域；有些场合要考虑其“性能价比”，即达到使用要求即可。那么，性能如何表征和测试、性能的物理本质、影响性能的因素、 如何正确选择材料和提高材料的性能是材料科学的基础知识。总之，我们使用和研究材料，必须首先对其性能要有充分的了解。材料性能分类、概况?材料的性能（使用性能和工艺性能）a hH*力学性能在外力作用下所表

2、现出的行为：弹性变形、塑性变形、断裂f弹性模量、硬度、强度、塑性、韧性、 疲劳等等。作为结构材料最重要的性能指标。物理性能由材料的物理本质所决定的性能，如电子能带结构的不同决定材料 导电性的不同等。是材料在热、电、磁、光等作用下通过材料的物理 本质所表现出的不同性能。如密度、热膨胀性、导电性、磁性、导热 性、熔点等。作为功能材料最重要的性能指标。化学性能材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐蚀性 能、抗氧化性能等。工艺性能材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是物理、 化学性能的综合。如铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工 性能等。直接影响材料使用的方式、成

3、本、生产效率等。2.为什么要学习和研究材料的性能1I三l-i材料性能学是材科科学与工程一级学科专业基础课。因为材料科 学的根本任务是：材料制备、提高材料性能、开发性能优异的新材料、 研究材料的应用，以满足各行业对材料性能要求日益提高的需要。最终 归结到材料性能上。通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、 变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料 性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充 分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法 及相关仪器设备。只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须

4、的基本知识、基本技能和明确的思路。3本课程的学习目的、内容 二 :.一一 . _ _ - 亠.亠7-_”工程材料按照其用途可分为：修枸材列和功傩材蚪在以机械工业为主导的时代：主要使用结构材料，主要追求材料高 强度、高韧性、耐高温等，即材料力学性能。当今人类进入了信息时代：功能材料越来越重要，发展迅速。如信 息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很 高的功能性。材料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁 学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性 能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。学习材料物理性能主要是为功能材料的研究和使用打基础。学习热学

5、性能、电学性能、磁学性能和光学性能。掌握基本概念：有关概念与现象，如热导率、磁畴、硬磁与软磁材料、热电效应、半 导体的热敏、光敏现象等等。物理本质：如热膨胀是怎么产生的，不同材料为什么有不同的磁性等。从材料原 子结构、电子层、晶格运动等内部因素认识材料物理性能的本质和机理。 影响因素、与化学成分及组织结构之间的关系：如为什么合金热导率较纯金属低？为什么陶瓷材料较金属材料热膨胀系 数小？石墨与金刚石哪个热膨胀系数大？为什么？竺童 物理性能指标的工程意义：物理性能指标在实际工程上有何应用。了解物理性能指标的测试方法和原理，相关仪器，试样准备。注意：金属材料、无机非金属材料、高分子材料表现出不同的物

6、理性能, 如材料热稳定性（耐热震性）只对无机非金属材料有意义，导电热敏效 应只对半导体材料有意义等等。学习时将三大类材料物理性能的共性融 合在一起，同时兼顾其个性。材料物理性能 哈尔滨工业大学出版社 邱成军等TB303/Q712材料物理性能机械工业出版社，陈駢駭TB303/C417金属材料物理性能冶金工业出版社 王润75.211 W35无机材料物理性能清华大学出版社关振铎等71.2241/460工程材料的性能、设计与选材 机械工业出版社，柴惠芬，石德珂编71.22/501材料物理性能中南大学出版社龙毅，李庆奎，强文江用过程中将对不同的温度做出反映，所表现出的不同热物理性能。如环境温度变化材料膨

7、胀或收缩，同时吸收或放出热量，但不同材料表现不同的值；材料各部分温度不同时。包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性等等。本章学习这些热学性 能的有关概念、物理本质、影响因素、测量方法和工程意义。1、第1节热学性能的物理基础各种热学性能的物理本质材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动有关。晶格热振动：固体材料（包括晶体和非晶体），点阵中的质点（原子、 离子）实际上并不是固定不动的，而总是围绕其平衡位置作微小振动。 如金属铝、NaCl（ffi心立方）中离子。热振动的剧烈程度与温度有关。温度不太高时各质点在其平衡位置作 微小振动，温度升高振动加剧，甚至产生扩散（非均质材料），温度升 至一定程度，振动

8、周期破坏，材料熔化，晶体材料表现出固定熔点。只讨论温度不太高时材料的热学性能。温度变化，质点热振动变化， 导致。2、质点的简谐振动方程m,Xn+l可将晶格热振动分解成三个方向的线性振动。设每个质点的质量为 在任一瞬间该质点在X方向的位移为知。其相邻质点的位移为Xml 。该质点的运动方程为:Em为微观弹 性模量。&厂MM描述：相邻质点振动位移间的关系。说明：临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤 立的，与临近质点存在相互作用。3、质点的热振动与物体热量构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量。温度升高，质 点振动频率和振幅增加，热量增加。与热容有关。第1节热学性能的物理基础丫

9、专号裨手育童 用:耳 氓$专梅芒u甬_器亡亍W三言 W阿TRf士仃亡.杏:护召f 召亡.主护帶审需=4、声频支振动和光频支振动材料中质点间存在很强的相互作用力，一个质点的振动会影响其临近 质点的振动，进而影响到其它区域质点的振动。相邻质点间的振动存在 一定相位相差，即晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种弹 性波称为格波。弹性波是多频率振动的组合波，频率高者传播较快。声频支振动：振动质点中频率甚低的格波，质点彼此之间位相差不大, 则格波类似于弹性体中的应变波（与声音频率相当）。光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间位相差很大，邻近质 点的运动几乎相反，频率住往在红外光区。声频支振动可

10、看成相邻质点具有相同的振动方向；光频支振动可看成 相邻质点振动方向相反。对于离子型晶体，正、负离子间存在相对振动，对于光频支振动，异 号离子间有反向位移，便构成了一个偶极子，在振动过程中此偶极子的 偶极矩周期性变化，根据电动力学，它会发射电磁波，其强度决定于振 幅大小。在室温下，所发射的这种电磁波是微弱的，如果从外界发射相 应频率的红外光，则会被晶体强烈吸收，从而激发总体振动。这就是离 子晶体具有很强的红外光吸收特性的原因。第2节材料的热容一、热容的基本概念及其与温度的关系（一）热容的基本概念和物理本质热容：涯没着相变、化学反应的条件下，材料温度升高1K所吸收的热量。 小 九增加的能量。6 =

11、 （）T单位J/K （在T温度时）。01为什么温度升高材料吸收热量哪？（即热容的物理本质是什么？）温度升高，晶格热振动加剧，材料内能增加，若发生膨胀，还对外做功。影响物质热容的因素：物质的性质、温度、是否发生体积变化、电子。2. 比热容（质量热容）:单位质量材料的热容，单位J/（KgK）。月Q、1cr = I丿dl m4.平均比热容：同种材料在不同温度比热容不同，工程上往往用单位质量的材料从温度T升高到丁2所吸收热量的平均值表示其热容，称平均比热容。 较粗略，但工程上常用，使用时注意：温度范围。气二圣丄 5比定压热容和比定容热容T耳m比定压热容：材料温度升高时，压强恒定，所测得的比热容。翌八丄

12、严丄dT 亠 mm焙/内能dU+W比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。Cp与Cv哪个大？ CpCv原因?TmCp测量方便，Cv更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽 略，但高温下差别增大。Cp、Cv与温度之间的关系（三个阶段）。二、晶态固体热容的经验定律与经典理论19世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。1. 元素的热容定律一杜隆一伯替定律恒压下元素的原子热容等于25J/mol-K,即晶态固体材料每含lmol原 子，热容为25J/mo 1-Ko （举例）（1）经典热容理论：固体中每一个自由度的振动（共3个）用谐振子表 示，每个振动自由度平均动能和平均位能都为l/2kT

13、（k为玻尔茨曼常数 1.38 X10 23,则每个原子平均动能和位能之和为：3 X2 Xl/2kT=3kT，Imol原子的原子个数为N （阿佛加德罗常数6.02 X1023） , lmol原子 的总能量为：E=3NkT=3RTd3RTdT=3R=3 X 8314Q25J/Kmol（2）实际上大部分元素的在常温以上原子热容接近该值，但对于轻元素 与实际值差别较大。（P4）二、晶态固体热容的经验定律与经典理论2. 化合物的热容定律奈曼一柯普定律化合物的分子热容等于构成此化合物各原子热容之和。 双原子固体：如NaCK TiC摩尔热容？多原子固体：如SiO2、CaSiOs 摩尔热容？其来由是根据杜隆一

14、伯替定律，也是基于经典热容理论。认为热容与温度无关，与事实不符。实际上？低温时、轻元素与事实差别很大。认为所有元素热容相同，构成化合物时，分子热容等于各原子热 容之和，与事实不完全相符。未考虑体积是否变化及电子的影响。3. 热容经验定律评价(1)(2)(4)(5)除轻元素外大部分元素与固体物质在非低温时与事实十分接近。(3)原因：假设与前提问题，原子(各种元素)在相同温度下，平均动能、 位能相等，模型过于简化。经验定律和经典理论在解释实际问题时不能与事实完全相符，因此出 现了固体热容的量子理论。三、晶态固体热容的量子理论I III*7初新.晶态固体热容的经典理论过于简化，存在较多的问题 提出了

15、晶态固体量子理论，能够更好地解释热容现象。普朗克首先提出了质点振动能量的“量子化”理论。认为在一物体 内，即使温度相同，不同质点热振动的频率（U ）也不尽相同，即使同 一质点能量也时大时小。但它们的能量都是量子化的，都以hU为最小单 位，称量子能阶。质点的能量都是这一最小单位的整数倍。在此基础上，经过简化和推导，得到了一些热容的数学模型，其中 有代表性的为爱因斯坦模型和德拜模型。=J1.爱因斯坦模型1906年爱因斯坦根据普朗克质点振动量子化的观点，并假设每个质 点都在独立振动，原子间彼此无关，每个质点振动频率相同，简化、 推导而得。推导过程：略 注意爱因斯坦温度8 E进步：能量量子化、考虑到温

16、度因素。(1) 当高温时(T0 E ) , Cv3R即为杜隆一伯替定律的形式，实际上杜隆一伯替定律在较高温度 时与事实符合较好。爱因斯坦模型中考虑到了频率随温度和元素的变化，较杜隆一伯 替定律精确。(2) 低温时(T0 D ) , Cv心3R,即杜隆一伯替定律形式。同时考 虑到了频率随温度和元素的变化，一般温度下，较杜隆一伯替定律精确。(2) 低温时(TIII一些无机材料在不同温度范围的a、b、c可通过相关资料（如物理性 能手册）査出。工程上一般采用。III较高温度下，若某物质的数据不能査得，工程上也常用查得的构成该 化合物的元素或简单化合物的热容总和作为其热容（如CaSiO3）。 hH*II

17、I金属的特征是内部有大量的自由电子。经典电子论估计自由电于对热 容的贡献在3/2k （玻尔茨曼常数）数量级，且与温度无关，金属化合物、 固溶体和中间相的热容由点阵振动和自由电子两部分组成。常温下电子 对热容的贡献只占1/100；但在极高温度和极低温度下，对热容的贡献 不可忽视。这是因为高温下电子像金属晶体离子那样显著地参加到热运 动中，因此，高温区随温度升高热容继续上升。极低温下，电子热容不 像离子热容那样急剧减小，因而在极低温度下起着主导作用。9合仝成分对执容的影响IIIIII看金的热容是显个组成元素热容与其质量百分比的乘积之和。温度高 于e d时，计算出的热容值与实测结果相差不超过4%。该

18、定律具有一定 的普遍性，它不仅适用于金属化合物、金属与非金属的化合物，并能准 确地适用于中间相和固溶体及它们所组成的多相合金，但对铁磁合金不 适用。热处理虽能改变合金组织，但对合金高温下的热容无明显影响。3相变时热容变化（自学）P9六、热容的测量（自学）七、热分析及其工程应用（自学）一、热膨胀的概念及热膨胀系数1热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。也就是所谓的 热胀冷缩现象。不同物质的热膨胀特性不同。有的物质随温度变化有较大的体积变化， 而另一些物质则相反。即使是同一种物质，晶体结构不同（如石英玻璃与 Si02晶体）,也将有不同的热膨胀性能，等等。意义：集成电路、特灯等基体材料与

19、金属间的封接，复合材料，精密仪 器等。选择、设计膨胀性能满足使用要求的材料。2 热膨胀系数：1）线膨胀系数（1）物体温度升高自TT2,其长度增加自LL2,贝【J-厶一厶 11Z2 = ZX1 4-（7-71）疣=肓二可石=近百G即为T1-T2温度区间的平均线膨胀系数，单位：K1。表示物体在 该温度范围内，温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。是材料在 一个温度范围内的平均膨胀特性。工业上通常使用。一、热膨胀的概念及热膨胀系数(2) 当AT和-()时，得r= 今即T温度下的真线膨胀系数,或微分线膨胀系数。必W(3) 今一般随温度的升高而升高。(4) 手册上查到的都是平均线膨胀系数，工程上一般

20、使用，但一定注意其使用温度范围。_(5) 一般无机弘金属c较小，金属材料较大。大多在10-510-6KT 数量级。如(X10-6KT) : Al:238 (303273K)；钢：1020 (273 373K) ； Cu:17.18 (373K) Si:6.95 ( 273373K) ； SiC:4.7 (273 1273K) ； Si3N4:2.7 (2731273K)；石英玻璃:05 (2731273K)。2)体积膨胀系数(体膨胀系数)in物体的体积随温度升高而增大，表示为：VT=Vo(l+a v AT), a v即为平均体积膨胀系数。表示物体温度升高1K,体积的相对增大量。真体积膨胀系数？

21、(1) 各项同性立方体材料：a v 3a l推导略。(2) 各项异性立方体材料：各晶轴方向的线性膨胀系数不同，分别为表示为：a a、a b、a c 可得：a v ea a+a b +a c 推导略。二、热膨胀的机理重点、难点1简谐振动问题前面将质点热振动近似看作简谐振动。即质点只围绕其平衡位置做热振动，温 度升高不改变其平衡位置，只影响振幅、频率，质点间平均距离不因温度升高而 改变，这样不会有热膨胀，显然与实际不符，即简谐振动不能解释热膨胀现象， 只能揭示热容的本质。那么热膨胀是怎样通过质点的热振动产生的哪？（前面讲 过，材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动有关）。2热膨胀的物理本质（机

22、理）实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起质点平均距离增大, 从而导致物体热膨胀。（1）双原子模型（从临近质点间的相互作用力解释）P18图1.16. 1.17 先讨论相邻两质点，以左质点为参照位置。两质点间存在着相互作用力： 弓I力异性电荷之间的库仑吸引力。-斥力同性电荷之间的库仑排斥力+泡利不相容原理引起的斥力。li111引力与斥力都与质点间距有关：引力与斥力都随质点间离减小而增大，但 两力不简单地与位移成正比。随间距减小增大速度不同，斥力增加快，合力 曲线斜率不等（平衡位置左侧大，右侧小）,所以质点振动时其平均位置不 在振动的平衡位置，而靠右。温度升高，振幅增大，其平均位置偏离平衡

23、位 置靠右的距离越大，两质点间的距离增大，晶胞参数增大，物体膨胀。 hH*(2)用势能曲线解释P19图1.18图118为质点相作用的位能曲线(图中虚线)，图中平行的横线代 表不同的温度。任一温度下，质点在其平衡位置动能最大，势能为零； 在左右最远距离势能最大，动能为零。随温度升高，质点振幅增大，左 右侧最大势能都增加，但由于斥力增加的快，左侧势能增加较右侧快， 形成了势能曲线的不对称。因此，随温度的升高，质点的中心位置右移, 质点间的距离增大，物体膨胀。1 与热容之间的关系格律乃森定律：物体的膨胀系数与定容热容成正比（表达式见式1.40.1.41） o它们有相似温度依赖关系，在低温下随温度升高

24、急剧增大，而到 高温则趋于平缓。图119是铝根据其理论关系所得的曲线与实测结果的对 比，基本一致。原因：固体的热膨胀实质上是由于材料温度升高晶格热振动加剧引起的。 振幅增加越大，热膨胀越大，同时振动能量越大。而晶格热振动加剧，质 点振动能量增加，升高单位温度能量的增加值正是热容的定义。 2与原子结合能、熔点之间的关系热膨胀系数与熔点、原子间结合能、德拜温度的平方成反比。原因：固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，质点的位 能性质又由质点间的结合力特性决定。原子间结合力越强的材料，其位阱 越深而狭（位能随质点位移变化陡峭）,升高同样温度，振幅增加越小， 因此热膨胀系数小。一般，晶体结构

25、类型相同时，结合能大的物质熔点高，所以熔点高的物 质膨胀系数小。单质的熔点与元素周期表存在一定规律，所以膨胀系数与 周期表也有相应关系。如：键强越大的材料膨胀系数越小，如陶瓷为共价或离子键，膨胀系数小。2 晶体结构：化学组成同，但晶体结构不同，如石英玻璃与多晶石英。哪个a大？ 结构紧密的晶体a大，类似非晶态玻璃那样结构松散的材料a小。因结构疏松的材料内部空隙较多，温度升高，质点振幅增大，质点间距离的增大 部分被结构内的空隙所容纳，整个材料宏观上a小。多晶石英：12X10-6KT；石英玻璃：0.5X10-6KT3 非等轴晶系的晶体单晶体各晶轴方向a不同，最显著的是层状结构材料。如石墨层内结合 力

26、强，a小，1X10-6KT,层间结合力弱得多,a大，27X10-6K -1 o多晶金属材料，往往存在微晶的择优取向，在一定程度上表现出单晶的 各相异性；一般结构上高度各相异性的材料，av都很小，因此作为优良 耐热震材料被广泛使用。4 相变材料发生相变，膨胀特性也发生明显变化，不同相变变化特征不同。 原因：材料晶型、晶体结构、结合键等都可能发生明显变化。5. 合金单相均匀固溶体合金溶质元素膨胀系数高于溶剂基体时膨胀系数增加；溶质元素膨胀系数 低于溶剂基体时膨胀系数降低。含量越高影响越大。因此其膨胀系数介于 两组元之间，随溶质原子浓度变化近似呈直线变化，一般略低于直线值。溶质元素的膨胀系数高于基体

27、：如Cu-Zn、Sn； Fe-Mn、Sn等。溶质元素的膨胀系数低于基体：如Ag-Au； Bi-Sb； Fe-Cr V； Cu-Pd、 Ni、Au； Al-Cu、Si、Ni、Fe等。注意：Cu-Sb例外，Sb膨胀系数低于Cm但使Cu膨胀系数增大，可能 与其半金属性有关。多相合金介于各组成相的膨胀系数之间，可近似按体积百分数以混合定则粗略 估算。6.钢取决于组成相特性：奥氏体a最高。钢中合金元素影响：形成碳化物a升高，固溶于铁素体a降低。热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有 重要意义。1. 是决定材料抗热震性的主要因素。2陶瓷坯上釉，二者a应匹配。釉a适当小于坯，烧结冷却过

28、程中，釉 层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小 的太多也不行，会使釉层脱落。3集成电路、电子管、特灯生产中。4.复合材料制备。5精密仪器仪表。六、热膨胀系数的测量（自学）七、膨胀分析的应用（自学）一、热传导与热导率的基本概念与定律1.热传导：术同温產的物体具有不同的内能；同一物体在不同的区域温度不等，含 有的内能不同。这些不同温度的物体或区域相互靠近或接触时，就会以热 量的形式交换能量。当材料相邻部分间存在温度差时，热量从温度高的区域自动流向温度低III1=的区域，这种现象叫热传导。不同的材料导热性能不同。工程应用上，有时希望材料的导热性越差 越好，如隔热材料、保温材料

29、等；有时希望材料的导热性越良越好，如散 热器材料、电子信息材料等。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等诸多 技术领域，材料的导热性都是非常重要的问题。那么，材料的导热性能好坏如何定量地比较、衡量哪？需引入“热导 率”的概念。I III*2. 傅里叶定律和热导率先分析一下在某一特定材料中的传热量与哪些因素有关：温度梯度：沿热流方向每单位长度的温度变化量，宁O矢量，规定其方 向指向温麼升高的方向。A热流密度：单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量，以“屮表示。傅里叶定律：在固体内任何一点，热流密度与温度梯度成正比，但方向ATifi相反，即一乂AxA即为热导率，表示单位温度梯度下，单位时间内通过单位

30、截面积的热 量。则，流过的与热流垂直的某一截面的热量（注意“一”的意义）:ATQ = -ASt Ax导热率也称为导热系数，标志材料本质的导热能力。单位：（根据其物理 意义记）o注意：知用傅里叶定律计算传热量时，只适用于稳定传热过程，即X方 向各处温度恒定；只适用于各向同性材料，各向异性材料乎不是定数。金属比非金属导热性能好，气体是热的绝缘体。 热阻率（）：热导率的倒数。Av3.热扩散率前面讨论的是稳定传热过程，即传热过程中各处温度不变。但比如工件 在加热炉内加热时，各部分温度不断发生变化，即为不稳定传热过程。加 热过程中，自工件表面逐渐向内部传热，这个工件温度逐渐达到一致。那么温度（热焙）变化

31、并达到一致的时间与哪些因素有关哪？导热率与定容热容（储热能力）。因此，引入导温系数或热扩散率（a ）的概念：表征材料随温度场的变 化其温度变化的速率，opcP为材料的密度，C为比热容。在加热或冷却相同的条件下，a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。要计算 出经多长时间才能使工件达到某一预定的均匀温度，就需知道热扩散率。ifi气体导热回忆：依靠分子间的碰撞传递能量来实现。即气体中温度高的 分子运动激烈，能量大；温度低的分子能量小。通过碰撞，低能量分子能 量升高温度上升，高能量的分子能量降低温度下降，从而实现传热。固体中质点只能在其平衡位置附近做微小振动，不能象气体一样

32、依靠质 点间的直接碰撞来传热。依靠什么哪？主要依靠晶格振动的格波和自 由电子。回忆格波的概念。1.金属材料有大量的自由电子，可迅速实现传热，故入一般很大。晶格振动对金属 导热的贡献很次要。2.非金属材料自由电子极少，导热主要依靠晶格振动的格波。材料内存在温度差时， 晶格中处于较高温度的质点热振动较强烈，其临近温度较低的质点热振动 较弱。由于质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点的 影响下振动加剧，能量增加；振动较强的振动能量降低，使热量发生转移。这样能量传递在整个材料内进行，从而实现传热。温度不太高时，质点振动微弱，频率较低，相邻质点间相位差小，格 波频率低，即主要是声频支振动，

33、光频支的能量很微弱，固体非金属材料 导热光频支的贡献可以忽略。I#为了研究方便，引入“声子”的概念，即将晶格振动中的能量量子化, 声频波中的量子称为声子。一个声子的能量为hu ,这样就可将声频支振 动的格波理解为声子的运动。把格波与物质的相互作用f声子与物质的碰 撞；把格波传播遇到的散射f声子与质点的碰撞；把理想晶体中热阻的来 源一声子与声子的碰撞。就是说热传导可理解为声子运动的结果，就像气体热传导中分子之间 的碰撞一样。它们的热导率应具有同样形式的数学表达式。理想气体热导率公式： 2 = cvZ oC :单位气体比热容，F :况体分子平均速度，1：气体分子平均自由程。引申到晶体材料中：C:声

34、子比热容，丁 :声子平均速度, /:声子平均自由程。7仅与晶体密度、弹性力学性质有关，与频率无关。C与1是频率的函数，即与温度有关。C：与温度的关系即物体热容与温度的关系。1的影响因素： 格波中耦合作用（振动中的非线性）越强，不同频率格波传播中相 互干扰越严重，声子间碰撞越严重，1减小，热导率降低。 晶体中缺陷、杂质即晶界都会引起声子散射，1减小，热导率降低。|=:l-i 频率越低，波长越大，传播越易绕过缺陷，1大，热导率降高。1=1 温度升高，声子碰撞机会增多，1减小。但减小有限度，高温下1最 小值为几个晶格间距；反之，低温时最大为一个晶粒尺寸。2）光子传热2;怒* 光子：固体中分子、原子和

35、电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射 出较高频率的电磁波。波长0.4-40M m （可见光与部分近红外光区）。此辐射线称热射线，热射线的传递过程称热辐射。由于它们都在光频 范围，其传播过程和光在介质中传播现象类似，也有散射、衍射、吸收、 反射和折射，所以可把它们的导热看做光子在介质中传播。IIIIII!1!温度不太高时，热辐射很微弱，但随温度升高，热辐射急剧增大，与 T的四次方成正比。光子导热就不可忽视。 光子导热仍以cvl作基本形式。 宏观解释：材料中存在温度梯度时，两相邻体积单元间温度高的辐 射能量大，吸收的能量小；温度低的体积单元相反，这样在整个材料中 温度从高温区向低温区传递。 对

36、于光子导热，辐射透明的介质光子1大，反之光子1小。完全不透明 的介质，光子1为零，辐射导热可忽略。即还取决于材料光学性能。2）光子传热2;怒*可见，材料依靠晶格热振动的导热有两种机制，即声子导热与光子导热，温度不太高时光子导热可忽略，高温时光子导热不可忽视。内容:I V 室温下的许多金属材几乎相同;I与温度T成正比iL：称为洛仑兹数，2. 45 X10TWQK-2意义：热导皋的测定既困难又不准确，根据此公式可通过测定电导率来确 定金属热导率。四、影响材料入的因素2;怒*1温度：1）金属与合金：（自学）2）非金属材料：I温度不太高时，声子导热占主导，根据公式 2 = -cvl 丁 :基本不随温度

37、变化，不考虑。1：温度极低时（020K左右）为上限，一个晶粒大小；随温度升高1降 低；较高温度时趋于下限，几个晶格间距。C:C：为固体材料热容随温度的变化规律。因此： 020K左右：1为上限，c正比于T的3次方，故入正比于T的3次方。 约2040K：温度升高，1降，c正比于T的3次方，故入随T升高而升 高，但不是正比于T的3次方。 约40800K： c基本恒定，1降，A随T升高而降低。 大于800K： c基本恒定，1为下限，入随T变化平缓。 很高温度：光子导热作用强，入随T升高而升高。III画出入随温度变化曲线：可见，对于一般的非金属晶体材料，在常用温度区间，A随温度升而降。四、影响材料入的因

38、素2.晶体结构影响 复杂性：晶体结构越复杂，对于声子传热格波受到的散射越严重，传播阻力越大, 1降，A减小。如MgA1204较A1204、MgO的入小。 非等轴晶系：A有各向异社，如石墨，层内入大。随温度升高，各向入差减小，因温 度升高，结构趋于对称。 多晶与单晶III同种材料多晶比单晶入小。因多晶中晶界、缺陷多，声子易散射，自由 程减小。随温度升高，差值增大，因晶界、缺陷等对声子阻碍作用增强， 但单晶在温度升高后光子导热较多晶明显。 非晶材料A较晶体材料小几个数量级。因非晶近程有序，可看成晶粒极小的晶体 （几个晶格间距），为声子自由程在极低温度下的下限。即自由程实际不 随温度变化，是晶体材料

39、的下限，1小。III3.化学组成的影响1）构成晶体的元素一般组成元素的原子质量越小，晶体密度越小，弹性模量越大，德拜温 度越高，入越大。故轻元素固体和结合能越大的固体入较大。如：2）固溶体：固溶体形成，入减小。原因:趋势图:形。金属：4.复合材料 “S形。5气孔的影响（自学）6.金属与合金：冷加工、固蔣强化、多相合金较无缺陷金属入小。四、热导率的测量（自学）第5节材料的热稳定性概念与表不方法1. 热稳定性材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力（又称抗热震性）。不同材料种类材料的热稳定性？无机材料及其它脆性材料：热稳定性较差，制备、加工和使用过程中经常会受到环境温度起伏的 热冲击，热稳定性是无机

40、材料的一个重要性能。（工程意义？）注意与高温性能和化学稳定性的区别材料受热冲击时的损坏有两种类型:抗热冲击断裂性：抵抗热冲击时发生瞬时断裂的能力（玻璃、陶瓷等）； 抗热冲击损伤性：热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展,1终碎裂或变质（含微孔的材料、非均质金属陶瓷等）。对于一具体材料，其热稳定性好坏如何衡量哪？工程上，不同材料釆用不同的直观、简便的热稳定性评定方法:日用瓷：一定规格的试样f加热到一定温度一立即置于流动的室温水中 急冷。逐次提高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂， 以产生龟裂的前一次的温度来表征其热稳定性。普通耐火材料:试样t加热到1123K并保温40 min 置于

41、283-293K的流 动水中3min或空气中5lOmin 重复这样的操作，直至 试件失重20%。以操作次数来表征其热稳定性。高温陶瓷材料:以加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度 的损失率来评定它的热稳定性。如制品形状较复杂，则在可能的情况下，直接用制品进行测定，以免除形状和尺寸带来的影响。如高压电瓷的悬式绝缘子等。对于无机材料尤其是制品的热稳定性，尚需提出一些评定的因子，以 便从理论上分析其机理和影响因素。二、热应力1 HU*无机非金属材料为什么在城冲击条7乍下会愛巫开惑 頑伤血& _t 其根本原因是材料在受到热冲击时产生热膨胀或收缩引起的内应力 (即热应力)超过了材料力学极限而引起

42、的。1. 热应力的产生对于长度为L的杆件，温度自To - T1,膨胀 纟 若杆件自由膨胀，杆件内无膨胀而产生的应力；若两端? 刚性约束使其不能伸长，杆件所受压应力相当于把样品环 自由膨胀后长度(L+AL)压缩到L所需力。 b = E(_)= _Ea(7_%) 若TOT1,即冷却过程，材料内应力为拉应力。2. 具体材料中热应力的存在 实际材料中并不是在以上所述两端固定机械力的作用下才产生热应力。 多相复合材料:各相热膨胀系数不同，各相膨胀、收缩不一致； 材料内存在温度梯度：相邻各部分膨胀、收缩不一致产生热应力。如热 玻璃板投入冷水，表面层收缩大产生张应力；内层收缩小产生压应力。玻璃、陶瓷脆性材料

43、为什么在热冲击条件下会发生瞬时断裂哪?根据前面的分析，是由于在热冲击时材料内部产生的热应力超过了材料强度极限引起的。即只要材料表面和中心间最大热应力不超过o f,材料就不会损坏。（以热应力一7 f为判据）1.第一热应力断裂抵抗因子RIII材料表面和中心的温差越大，内应力越大。显然材料所能承受不致断 裂的最大温差Tmax值愈大，热稳定性越好。可以用Tmax表征材料热稳定性。理论计算得出:R = 人】ax“)Ea定义R为第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子。单位：C。bf极限抗拉强度，M 泊松比，E弹性模量，a 线膨胀系数。第二热应力因子又考虑到如下因素:(1)(2)第一热应力因子只考虑到材料e

44、r f、a、Eo但材料是否出现热应力断 裂，还与材料中应力的分布、产生的速率和持续时间，材料的特性(例 如塑性、均匀性、驰豫性)以及原先存在的裂纹、缺陷等有关。因此，R 虽然在一定程度上反映了材料抗热冲击性的优劣，但并不全面。热导率入:A愈大，传热愈快，热应力很快缓解，对热稳定有利。 材料或制品的厚薄：薄的传热通道短，容易很快使温度均匀。材料 半厚以血表不OIII表面散热速率(表面热传递系数)h：材料表面温度比周围环境温度 高1K,在单位表面积、单位时间带走的热量。h大，散热快，内外温 差大，热应力大。如窑内进风，降温快，会使制品炸裂。(3)III考虑以上三因素，引入毕奥模量：P =hrm/A

45、 o可见，p越大，对 热稳定性越不利。实际骤冷时，由于驰豫等因素，材料内部产生的最大热应力是滞后的。即热应力并不是马上达最大值，且随卩的不同，热应力会有不同程度 的折减。P越小，滞后越多，折减越多。考虑到应力折减可导出：AT 宀= Ea 0.3 rmhmax 定义 尺=兰211(7/cm-5)Ea为第二热应力断裂影响因子。最大温差7-XSx鼎和S为形状系数，无限平板S=l。实际应用中，用材料允许的最大冷却或加热速率（于）喰表征其热稳定性at更直接实用。对于无限平板可导出:其中R” = b/d ）%称为第三热应力因子。Eapc pP为密度，Cp为热容。1 HU*石.审.上工抗热冲击断裂，以强度一

46、应力为判据，认为材料中热应力达到抗张强 度极限后就产生开裂。一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。这样导 出的结果只适用于一般的玻璃、陶瓷和电子陶瓷等。但对于含微孔的材料（如粘士质耐火制品、建筑砖等）和非均质的金 属陶瓷等却不适用。这些材料在热冲击下产生裂纹时，在裂纹瞬时扩张过程中可能被微孔、 晶界或金属相所阻止，如果裂纹的扩展、蔓延能抑制在一个很小的范围内, 可能不致引起材料的完全断裂。如一些筑炉用的耐火砖中，含10%20% 气孔率时反而具有最好的抗热冲击损伤性。而气孔的存在会降低材料的强 度和热导率，而R和R，值都要减小。这一现象按强度一应力理论就不能解 释。凡是以热冲击损伤为主的热冲击破

47、坏都是如此。因此，对抗热震性问题就发展了第二种处理方式，从断裂力学观点出 发，以弹性应变能一断裂能为判据的理论。即含微孔材料、非均质金属陶瓷热冲击情况下，裂纹的产生、扩展以 及蔓延程度与材料积存的弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。裂纹产生的动力：裂纹产生与扩展将释放弹性应变能，减小体系能量; 阻力：裂纹产生与扩展将新增断裂表面能，增大体系能量。材料内积存的弹性应变能越小，原裂纹扩展可能性越小，抗热应力损伤性越好；裂纹扩展所需断裂表面能越大，裂纹蔓延程度越小，抗热应力损伤性越好。E用弹性应变能释放率倒数：疋=77 比较具有相同断裂表面能的 材料的抗热冲击损伤性。”(1 -D C 断裂表面能E

48、x2r用 R=2/1 、比较具有不同断裂表面能的材料的抗热冲击损伤性 bl“)RJ高的材料抗热冲击损伤性能好，它们与E成正比，与。成反比。这与R、R、R”相反。原因：二者判据不同。在抗热应力损伤性中，认为强度高的材料，原有裂纹 在热应力的作用下容易扩展蔓延，对热稳定性不利，尤其在一些晶粒较大的 样品中经常会遇到这样的情况o主要根据抗热冲击断裂因子所涉及到的各性能参数对热稳定性的影响。1. 提高or ,降低E,使(T /E提高实际无机材料b不低，但E很大，尤其是普通玻璃更是如此；金属材料 (7大E小，例如铸的断裂强度比陶瓷高几十倍。同种材料晶粒细，晶界缺陷少，气孔少而均匀则强度高，抗热冲击性好。

49、2提高2 , 使尺提高入大，矗外温差较快得到缓解平衡，减小热应力聚集时间。金属材料入 大，只有BeO可与金属类比。3减小材料热膨胀系数 相同温差，热应力小。如石英玻璃,可作炉管等。4减小材料表面散热系数h周围环境散热条件特别重要，如烧成冷却阶段，维持降温速度，表面不 吹风。5 减小材料有效厚度以上措施是针对密实性陶瓷材料、玻璃等，提高抗热冲击断裂性能而言。但对多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，要从抗热冲击损伤性来考虑。如耐火砖的热稳定不够，表现为层层剥落，这是表面裂纹、微裂纹扩展所致。材料具有高E和低的极限强度，材料具有更低的弹性应变能释放率；另一方面，提高材料的断裂表面能。1 材料的热稳定性

50、（抗热震性能）为什么说它是无机非金属材料的一项重要性能?2材料受热冲击损坏的两种类型 分别适用于哪些材料？3工程上评定“日用瓷”、 定性好“普通耐火材料”、“高温陶瓷材料”热稳坏通常分别采用的方法4材料受热冲击损坏的根本原因5.热应力及其产生6材料抗热冲击断裂的判据，第一、二、三热应力断裂抵抗因子。毕奥模量的概念。7材料抗热冲击损伤的判据，两个抗热应力损伤因子。&提高抗热冲击断裂性能的措施1 解释名词:波、热导率、热应力2. 为什么说材料热学性能的物理本质都与晶格热振动有关?3. 为什么玻璃的热导率常低于晶态固体几个数量级?4什么是材料的热稳定性？如何提高材料的热稳定性?第二章材料的电学性能第

51、1节材料的导电性一、电阻与电导基本概念欧姆定律:IR材料的电阻：R=pL/S即材料的电阻与材料本性、尺寸有关。与长度成正比，与截面积成反比。 其中P称电阻率或比电阻，材料单位截面积、单位长度的电阻。国际单位：。加,只与材料本性有关，与其尺寸无关，用来评价不同材 料的导电性能好坏。电导率电阻率的倒数，电导率越大，材料导电性越好。二、不同材料的导电性导体：P 10 9 ” o元素周期表中：IA、IB族内壳层轨道填满电子，最外层有1个s电子，具有最小的p ； 过渡金属：p大的多；B族：p范围很宽。为什么不同材料之间导电性具有如此巨大的区别哪?可用能带理论解释。第2节晶体的能带一、能带理论及有关概念：能带里理论认为，晶体中价电子是公有化的，其能量 是量子化的，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的电子 由于晶体中电子能级间的间隙很小，可以把能级分布看成 是准连续的，称为能带。但离子点阵所造成的势场是不均匀的，电子在周期势 场中运动，随位置变化其能量也呈周期性变化，接近正