第031讲材料物理性能与测试PPT课件

1、v 在空间科学技术中的应用 v 在能源科学技术中的应用 v 在电子技术和计算机技术中的应用第1页/共35页 材料的各种热性能的物理本质，均与晶格热震动有关 晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着衡位置作微小震动，称为晶格热震动第2页/共35页热容定义 热容是使材料温度升高1k所需的能量。它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，不同温度下，热容不一定相同 。 TtTQC第3页/共35页q 比热容 12TTQC均pppTHTQCvvvTETQCq 平均热容 q摩尔热容q 恒压热容q 恒容热容恒容热容第4页/共35页 一般有 Cp Cv， Cp测定简单， Cv更有理论意义。它们间的关系为：（热力学第二

2、定律）/02TVccvp其中为体积膨胀系数为压缩系数 VdTdVVdpdVVo-摩尔容积第5页/共35页第6页/共35页 元素热容定律-杜隆- -珀替定律 化合物定律-柯普定律)/(253KmolJRCviiCnC第7页/共35页高温下与试验结果基本符合杜隆杜隆-珀替定律珀替定律第8页/共35页杜隆杜隆-珀替定律珀替定律 不能说明高温下，不同温度下热容的微小差别 不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近绝对零度时，热容按T的三次方趋近与零的试验结果第9页/共35页 爱因斯坦模型 德拜的比热模型晶态固体热容的量子理论第10页/共35页kTNkfeekTNkTECekTkTvv31322Tf

3、kTfEee该模型假定该模型假定：每个振子都是独立的振子，原子之间彼此无关，每个振子都是独立的振子，原子之间彼此无关，每个振子振动的角频率相同。故有每个振子振动的角频率相同。故有：称为爱因斯坦比热函数 热容的量子理论第11页/共35页当 T E 时当T D，Cv = 3Nk当温度稳低时，T D，有： Cv与T对的立方成比例，与实验结果相吻合 热容的量子理论第15页/共35页不同材料不同材料D不同，不同，D取决于材料的键取决于材料的键 强度，弹性模量和熔点。强度，弹性模量和熔点。第16页/共35页无机材料有大致相同的比热曲线。无机材料有大致相同的比热曲线。第17页/共35页不同温度下某些陶瓷材料

4、的热容不同温度下某些陶瓷材料的热容第18页/共35页 无机材料的热容与材料的结构无明显的关系第19页/共35页 单位体积的热容与气孔率有关 第20页/共35页一般情况下，热容由实验测定，可用如下 经验公式Cp = a + bT + CT-2 + 单位： 4.18 J/(mol.k)， 其具体数值可查 有关手册。第21页/共35页高温下固体的摩尔热容约等于构成该固体化合物的各元素的原子热容的总和 C=niCi式中， ni：原子的分数，ci ：原子的摩尔热容 第22页/共35页多相复合材料的热容约等于构成该复合材料的物质的热容之和 C = giCi式中， gi：材料中第i种组成的重量百分数，Ci：

5、材料中第i种组成的比热容。第23页/共35页热膨胀系数 l 线膨胀系数： l 体膨胀系数：Tlll0TVVV0lv3l 线膨胀系数与体膨胀系数的关系:第24页/共35页某些无机材料热膨胀系数与温度的关系某些无机材料热膨胀系数与温度的关系第25页/共35页 前面我们用原子的简谐振动解释了固体的比热问题，但晶体的另一些热前面我们用原子的简谐振动解释了固体的比热问题，但晶体的另一些热学性能如热膨胀、热传导则不能用间谐振动来解释，必须考虑非间谐振动学性能如热膨胀、热传导则不能用间谐振动来解释，必须考虑非间谐振动。第26页/共35页rr0时。斜率较小，引力随位移的增大要慢些 产生线膨胀的原因不是简谐振动

6、，而是因为原子间的受力是不均衡的。质点在平衡位置两侧，受力不对称：第27页/共35页 a)热膨胀和结合能、熔点的关系：热膨胀和结合能、熔点的关系： 结合能高，结合能高，较小较小 b)b)热膨胀与温度、热容的关系：热膨胀与温度、热容的关系： 温度高，温度高，l l大，热容有相似的规律大，热容有相似的规律 c)c)热膨胀与结构的关系热膨胀与结构的关系 d)d)压力和应力对热膨胀的影响压力和应力对热膨胀的影响 第28页/共35页 无机材料都是多晶体或由几种晶体和玻璃相组成的复合体。 各向异性的多晶体或复合材料，由于其中各部分的有所不同，而在烧成后的冷却过程中会产生内应力，而导至热膨胀。 设有各向同异性的复合材料，由于不同，而存在着内应力：TKivi)(第29页/共35页iiiiiiilWKWK3特纳公式特纳公式二相材料的情况二相材料的情况11211212122121122121122143443121643KGKKKKGVGKKGGKKGKKVv第30页/共35页两相材料热膨胀系数计算值的比较两相材料热膨胀系数计算值的比较第31页/共35页含不同石英晶型的两种瓷胚的热膨曲线含不同石英晶型的两种瓷胚的热膨曲线第32页/共35页无限大的上釉陶瓷平板样品应力计算：无限大的上釉陶瓷平板样品应力计算：