中科大材料性能测试课件第4章 热学性能测试

第四章热学性能及测试方法第一节热容一、基本概念因为，代入得恒容热容恒压热容热容摩尔热容热容是质点热运动的的能量随温度变化的一个物理量，是物体温度升高1K所需要增加的热量。：体膨胀系数V0：摩尔容积：压缩系数对于物质的凝聚态，Cp、Cv相差很小，但高温时有较大的差别。二、固体热容理论1)杜隆-珀替定律固体中原子有三个自由度，每个自由度平均能量为单个原子能量为恒容热容其中KB为波尔兹曼常数硅、锗的摩尔热容理论过于简单，不能解释低温下热容减小的现象。2)爱因斯坦理论：其中为爱因斯坦特征温度当T

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E时，当T>>

E时，爱因斯坦模型与实验值的比较每个原子都是独立的振子，原子之间彼此无关，每个振子振动的角频率相同。3)德拜理论当T<<

D时，德拜模型与实验值比较考虑了晶体中原子的相互作用，认为晶体对热容的贡献主要是弹性波的振动，每个谐振子的频率不同，频率范围从0到

m。当T>>

D时，（杜隆-珀替定律）三、热容的测量1)量热计法电加热法2)撒克司法a)

原理及设备测量样品与参比物的温差与温度的关系四、热分析方法及其应用1)普通热分析：测量温度随时间的变化2)差热分析(DTA)b)

差热分析曲线热电偶：DTA的关键元件测量池：包括试样池和参比池温控系统：在较大范围内实行线性升温放大装置：将热电偶产生的电流放大记录仪：气体保护系统：氮气或氩气体系c)

差热分析仪d)注意要点升温的线性和速度参比物的选择样品的预处理3)

示差扫描量热法(DSC)a)

原理具有两个独立的加热装置，采用热量补偿的方式保持两个量热器的平衡b)注意要点取样：质量和几何形状纯度：杂质会使峰值发生变化4）热分析方法的应用a)

测定聚合物的玻璃化转变温度聚苯乙烯的DTA曲线b)

共聚物结构的判断第二节热膨胀膨胀系数与温度的关系一、基本概念一般固体材料：在10-2～10-5/K一般金属、陶瓷材料：在10-5～10-6/K二、热膨胀的机理固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振动的距离，随着温度升高，动能增大，振动激烈，质点间的平均距离不断增大，形成宏观的热膨胀现象。r<r0时，曲线的斜率较大；r>r0时，曲线的斜率较小。r<r0时，斥力随位移增大得很快；r>r0时，引力随位移的增大较慢。双原子体系势能曲线三、热膨胀与其他性质的关系1)热膨胀与热容Al2O3的比热容、热膨胀系数与温度的关系热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以热膨胀系数与热容有着相似的规律。r：格留涅申常数，取值1.5～2.5K：体积弹性模量V：比容2)热膨胀与熔点当晶体结构类型相同时，结合能大的材料的熔点也高，也就是说熔点高的材料膨胀系数较小。对于单质晶体，熔点与原子半径之间有一定的关系，单质晶体的原子半径越小，结合能越大，熔点越高，热膨胀系数越小。四、热膨胀系数的测定及应用1)望远镜直读法：将试样按规定的升温速率加热到最终温度，通过望远镜直接读出试样的长度变化，得出线膨胀系数。2)顶杆式间接法：顶杆与试样接触，通过位移传感器或千分表测量线膨胀情况。3)热膨胀的应用：热膨胀分析技术用于相变点的确定。第三节热传导一、基本概念二、热传导机理电子导热、声子导热、光子导热（电磁辐射）从金属半导体绝缘体，声子导热作用渐强。c为单位体积气体热容；v为分子平均运动速度；l为分子运动平均自由程。

e：电子热导率，来源于自由电子的贡献;

i：离子热导率，来源于晶格振动的贡献。l与温度有关，温度升高，声子的振动能量加大，频率加快，碰撞增多，自由程减小。在高温时，最小平均自由程等于几个晶格间距；在低温时，最长平均自由程长达晶粒的尺度。三、热导率的测量1)稳态法：测量单位面积上的热量迁移率和温度梯度2)非稳态法：直接测量导温系数3)优缺点