工程材料科学与设计jamesp.schafferchapter10

1、热学性质热学性质 james p. schafferjames p. schafferthe science and design of engineering materials(second edition)材料科学与工程导论讲义本章关心的内容1.1.热膨胀热膨胀2.2.热容量热容量3.3.导热性导热性 实际应用：实际应用： 热双金属带用作恒温器的开关热双金属带用作恒温器的开关 隔热材料用于航天飞机和保护服装隔热材料用于航天飞机和保护服装 抗热冲击炊具抗热冲击炊具 钢化玻璃钢化玻璃材料科学与工程导论讲义1. 1. 声子的粒子性声子的粒子性光子光子-电磁波的能量量子。电磁波可以认为是光子流，

2、电磁波的能量量子。电磁波可以认为是光子流，光子携带电磁波的能量和动量。光子携带电磁波的能量和动量。声子声子-声子携带声波的能量和动量。若格波频率为声子携带声波的能量和动量。若格波频率为 ，波矢波矢q q为，则声子的能量为为，则声子的能量为 ，动量为，动量为q q。声子和物质相互作用服从能量和动量守恒定律，如同具有能声子和物质相互作用服从能量和动量守恒定律，如同具有能量量 和动量和动量 q q的粒子一样。的粒子一样。晶格振动的量子化晶格振动的量子化 -声子声子材料科学与工程导论讲义可以将格波与物质的互作用过程，理解为声子和物质的碰撞过程，可以将格波与物质的互作用过程，理解为声子和物质的碰撞过程，

3、使问题大大简化，得出的结论也正确。如，电子、光子、声子等。使问题大大简化，得出的结论也正确。如，电子、光子、声子等。准粒子性的具体表现：声子的动量不确定，波矢改变一个周期准粒子性的具体表现：声子的动量不确定，波矢改变一个周期（倒格矢量）或倍数，代表同一振动状态，所以不是真正的动量；（倒格矢量）或倍数，代表同一振动状态，所以不是真正的动量；系统中声子的数目一般用统计方法进行计算，具有能量为系统中声子的数目一般用统计方法进行计算，具有能量为e ei i的状的状态用出现的几率来表示。态用出现的几率来表示。2. 2. 声子的准粒子性声子的准粒子性3. 3. 声子概念的意义声子概念的意义材料科学与工程导

4、论讲义2 2 热膨胀系数热膨胀系数一般物质具有热胀冷缩性一般物质具有热胀冷缩性 负膨胀材料负膨胀材料 取向的高分子材料取向的高分子材料 zrwzrw2 2o o8 8 sc sc2 2w w3 3o o1212线膨胀系数和体膨胀系数线膨胀系数和体膨胀系数材料科学与工程导论讲义热膨胀的机理热膨胀的机理 晶格振动晶格振动-简谐振动简谐振动-温度的升高不改变平衡位置温度的升高不改变平衡位置-热量转变不会改变晶体的大小和形状。（热量转变不会改变晶体的大小和形状。（wrongwrong） 晶格振动中相邻质点间的作用力时间上是非线性的。晶格振动中相邻质点间的作用力时间上是非线性的。 键能曲线的非对称性键能

5、曲线的非对称性 （次要因素（次要因素 晶体中的各种热缺陷）晶体中的各种热缺陷）材料科学与工程导论讲义影响热膨胀系数的因素 材料热膨胀系数主要与其化学组成、晶体结构和键强度等材料热膨胀系数主要与其化学组成、晶体结构和键强度等密切相关。密切相关。1.1.键强度高，键强度高， 热膨胀系数低热膨胀系数低2.2.通常结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而类似非晶态通常结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而类似非晶态玻璃那样结构比较松散的材料，则热膨胀系数比较小。玻璃那样结构比较松散的材料，则热膨胀系数比较小。材料科学与工程导论讲义原子键特征对热膨胀系数的影响1.1.热塑性高分子材料热塑性高分子材料2.2.热固性

6、高分子材料热固性高分子材料3.3.晶态材料中，金属的热膨胀系数最高晶态材料中，金属的热膨胀系数最高4.4.许多陶瓷晶体结构的堆垛因子较低许多陶瓷晶体结构的堆垛因子较低材料科学与工程导论讲义热膨胀系数的测定以及应用测量方法：光学膨胀仪法、电感式膨胀仪法、电容式膨胀仪法测量方法：光学膨胀仪法、电感式膨胀仪法、电容式膨胀仪法 应用应用 陶瓷上釉陶瓷上釉 电子管封接电子管封接 精密仪器仪表精密仪器仪表 膨胀分析在材料科学研究中膨胀分析在材料科学研究中材料科学与工程导论讲义3 热容热容的标准定义是：热容的标准定义是：“当一系统由于加给一微小的热量当一系统由于加给一微小的热量qq而温度升高而温度升高dtd

7、t时，时，q/dt q/dt 这个量即是热容。这个量即是热容。”（gb3102.4-gb3102.4-9393） 1 1 经典热容理论经典热容理论 2 2 固体热容的量子理论固体热容的量子理论材料科学与工程导论讲义热分析的应用1.1.差热分析（差热分析（differential thermal analysis ,dtadifferential thermal analysis ,dta）2.2.差示扫描量热法（差示扫描量热法（differential scanning differential scanning calarmeutry, dsccalarmeutry, dsc）3.3.热重法

8、热重法(themogrivimetry, tg)(themogrivimetry, tg)材料科学与工程导论讲义4 热传导机理热量传导的方向是从高温区到低温区。用来描述物质传送热热量传导的方向是从高温区到低温区。用来描述物质传送热量能力的性能参量是热导率。量能力的性能参量是热导率。 xtkata1材料科学与工程导论讲义热传导微观机理材料的原子结构与其传热能力之间的关系材料的原子结构与其传热能力之间的关系热量在物质中通过两种机制传导：热量在物质中通过两种机制传导： 晶格振动（声子）晶格振动（声子） 自由电子移动自由电子移动这两种机制主要依赖于材料电子能带结构的特征这两种机制主要依赖于材料电子能带

9、结构的特征 金金 属属 自由电子自由电子 半导体半导体 声子和自由电子声子和自由电子 绝缘体绝缘体 声子声子材料科学与工程导论讲义影响热导率的因素热载流子（声子、电子、或者二者共存）的数量热载流子（声子、电子、或者二者共存）的数量n n载流子的平均速度载流子的平均速度在被晶格散射之前，载流子的平均移动距离。在被晶格散射之前，载流子的平均移动距离。)(_iiiincknk材料科学与工程导论讲义温度对k的影响材料科学与工程导论讲义金属、陶瓷、聚合物的热导率1. 金属金属 大量的自由电子大量的自由电子 高热导率高热导率 电导率与热导率的关系电导率与热导率的关系2. 2. 晶态陶瓷晶态陶瓷 声子导热机

10、制，以下有利于提高热导率声子导热机制，以下有利于提高热导率 较开放的晶体结构较开放的晶体结构 简单的晶体结构简单的晶体结构 原子或者离子具有相同的尺寸和质量原子或者离子具有相同的尺寸和质量 非晶态陶瓷材料的热导率一般低于对应的晶态材料。非晶态陶瓷材料的热导率一般低于对应的晶态材料。 原子尺度的晶体缺陷降低热载流子的迁移率。原子尺度的晶体缺陷降低热载流子的迁移率。材料科学与工程导论讲义3 3 高分子材料具有相当低的热导率。高分子材料具有相当低的热导率。隔热材料实例：隔热材料实例： 聚苯乙烯泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料 多孔陶瓷材料多孔陶瓷材料 材料科学与工程导论讲义热扩散率在稳态条件下，影响热传导的在稳态条件下，影响热传导的-热导率热导率在非稳定态条件下热扩散率在非稳定态条件下热扩散率22xtdttth材料科学与工程导论讲义5 热应力teethmth材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义6 应用 1 1 双金属带双金属带材料科学与工程导论讲义2 2 隔热器隔热器 低密度玻璃纤维基体隔热材料低密度玻璃纤维基体隔热材料 航天飞机航天飞机