第一章-材料的热学性能.ppt

1、1、GeneralCharactersofMaterials，2，本书主要内容，材料的几个主要性能：热学性能、力学性能、电性能、磁学习目的：了解材料各种性能的几个材料的性能表现和学习测试方法，加深对材料结构和性能的关系。 第一章材料的热学性能，1.1热学性能的物理基础热平衡动态平衡：当系统内无绝热壁时，系统温度随处相等，系统与环境之间无绝热壁时，系统与环境温度相等。 力平衡没有刚性壁时，没有力不均。 相平衡的各相间不随时间变化。 化学平衡化学组成和物质量不随时间变化。 热力学相关定律，热力学第一定律的能量守恒，仅说明了功，热转化的数量关系，热力学第二定律过程的方向性热力学第三定律规定了熵的完美

2、结晶的意义：完美结晶是指晶格中排列的粒子(分子、原子或离子)以一种方法整齐排列，没有缺陷和位置偏移，是理想的。 玻璃状态的固体、固溶体、再结晶等不同。 系统自由能、定义： G=H-TS物理意义：等除了t、p、因体积变化而产生的功外，从系统中获得的最大功。 发生不可逆的过程时，反应总是向吉布斯自由能变小的方向发展。 麦克斯韦方程表示温度一定时，h随体积的增大而增加。 因为在低温下TS项的贡献很少，所以吉布斯自由能在低温下主要依赖于h。 因此，原子排列稀疏结构的自由能比原子排列密结构的自由能大，也就是说，在低温下，比较密列结构属于稳定相。 相反，虽然在高温下TS的贡献有变大的倾向，但在这种情况下，

3、系统的吉布斯自由能主要依赖于TS，原子排列稀疏的结构的熵大于密列结构的熵，因此在高温下，原子排列稀疏的结构的自由能小，相对于原子密列结构属于稳定相。 1.1.4热性能的物理本质、热性能的物理晶格热振动牛顿的第二定律简单共振方程：温度、动能频率、振幅、各质点热运动时的动能的总和，是该物体的热，即、1.2材料的热容量、热容量(Heatcapacity ) :一定量的物质在一定条件下使温度上升1度摩尔热容量：用Cm表示1摩尔物质的热容量，单位为Jmol-1K-1。 比热： 1kg物质的热容量用c表示，单位为Jkg-1K-1。 定压热容量和定容热容量：将等压条件下的热容量称为定压热容量，用符号Cp表示

4、的等容条件下的热容量称为定容热容量，用符号CV表示。 在固体和液体中，Cp和CV几乎相等，但在要求高的计算中不能忽视。 对于理想气体，Cp，mCV，m=R，其中r是理想气体常数，热容量的经验规律和古典理论，1 .杜隆-珀交替规律： 19世纪，杜隆-珀交替将气体分子的热容量理论直接应用于固体，提出了杜隆-珀交替规律(元素的热容量规律)。 实际上，大部分元素的原子热容量接近该值，因此特别适合高温时。 但是，轻元素的原子热容量必须变更为表的值。 2 .科普定律：化合物分子热容量是构成该化合物的各元素的原子热容量之和，即式中：化合物中的元素I的原子数、元素I的摩尔热容量。 用途：根据杜隆珀定律可根据比

5、热估计未知物质的原子量，根据科普定律获得原子热即摩尔热容量，可进一步估计化合物的分子热。 杜隆珀定律在高温下与实验结果非常一致。 但是，在低温下，CV的实验值不是一定量，随着温度下降而减少，接近绝对零度时，热容量值按照T3的法则变为零。 低温下热容量减少的现象不能用古典理论很好地说明，需要用量子理论来说明。 热容量的量子理论普朗克基本观点：质点的热振动的大小不一定，即动能的大小不一定，但能量被量化。简化模型：爱因斯坦量子热容量模型设备比热模型，热容量的量子理论，1 )爱因斯坦热容量模型：基本的观点：原子的振动独立，具有相互不依赖的相同的周围环境，振动频率都相同，振动的能量是不连续量化的。 结论

6、高温下，Cv=3R，与杜隆珀替代式一致。 低温下，Cv随t变化的倾向与实验结果一致，但比实验更快地接近零。 在T0K的情况下，Cv也接近0，与实验结果一致。为低温时，请考虑与实验结果有偏差的原因热容量的量子理论，2 )器件比热模型的基本想法：结晶中的原子有相互作用，结晶接近连续介质。 由于声波对晶格中热容量的主要贡献是弹性波的振动，因此声波的波长比晶体的晶格常数长，可以将晶体近似为连续介质。 的双曲馀弦值。 结论：温度高时，即TD时，Cv=3R，即杜隆佩蒂定律。 温度低的情况下，即TD的情况下，Cv与T3成比例，T0 .温度越低，与实验值越符合。 弥补了爱因斯坦量子热容量模型的不足，但无法说明

7、超导等复杂问题(因为结晶不是连续体)。 根据材料的热容量、温度的不同，陶瓷材料的热容量大部分氧化物、碳化物的热容量从低温时的低值增加到1273K左右的约3R，不会变化。 材料热容量，1 .无机材料热容量无机材料热容量与材料结构的关系对气孔率的影响很小：多孔材料重量轻热容量小，所需热量比耐热材料小。 加热窑多为硅藻土、泡沫刚玉等。 固体材料的热容量Cp和温度t的关系可以通过实验测定，根据经验式计算式，Cp的单位为4.18J/(K.mol )、比较高温下(573以上)固体的摩尔热容量，在构成该化合物的各元素的原子热容量的总和式中，ni与化合物中的元素的原子数，Ci与化合物中的元素I的摩尔热容量大致

8、相等计算许多氧化物和硅酸盐化合物的573以上热容量有很好的结果。 同样，对于多相复合材料，gi也有材料中第I个组成的质量百分率，Ci有材料中第I个组成的比热的计算式。材料热容量，2 .金属和合金热容量1 )金属热容量区CVT3区CV3R是金属：其载流子主要是声子和电子。 低温时用：和热容量系数，用低温热容量实验测定。 关于金属热容量的说明：一般来说，常温下有助于晶格振动的热容量远大于电子热容量，只有在温度极低或极高的情况下，电子热容量才不能忽视。 在过渡族金属中，s层、d层、f层的电子参与振动，对热容量有贡献，也就是说，由于过渡族金属的电子热容量有贡献，因此过渡族金属的定容量热容量远远大于单纯

9、金属。 2 )合金的热容量，合金的摩尔热容量，可与单元的摩尔热容量成比例相加。 也就是说，公式中，X1、X2、Xn是单元所占的原子点数，C1、C2、Cn分别是单元的摩尔热容量，这被称为纽曼柯普定律。 说明：规律的普遍热处理对合金在高温下的热容量没有明显的影响；3 )组织转变对热容量的影响；一次相变：在相变点热容量急剧变化，热容量无限大，二次相变：比热也有变化，但有限值，1.3材料的热膨胀；1 )概念：温度变化时材料膨胀或收缩设物体的原来长度为温度上升后的长度的增加量，在实验中，l为线膨胀系数，即温度上升1K时物体的相对伸长量。 同样，物体的体积因温度而增加，相当于v为身体的膨胀系数，温度上升1

10、K时物体的体积的相对增加。物体为立方体，具有各向异性的结晶时，每个结晶轴方向的线膨胀系数不同，假设分别为a、b、c，材料的热膨胀系数的大小与热稳定性直接相关。 一般来说，越小，材料的热稳定性越好。例如si3n4=2.710-6k-1，由于陶瓷材料低，所以热稳定性也好。1.3材料的热膨胀，2 .热膨胀的本质1 )热膨胀的本质是晶格结构中的质点间平均距离随温度的上升而增大。 质点平衡位置r0两侧： rr0的倾斜较小，引力随着位移而变慢。 因此，在一定的温度下，平衡位置向右偏移而不是ro，温度高时，偏移会引起大的宏观晶体膨胀。 Curve，势一原子间距离曲线，热膨胀现象解释，1.3材料的热膨胀，3

11、.热膨胀与性能的关系1 )热膨胀与结合能，熔点的关系：质点间的结合力越强，热膨胀系数越小，熔点越高。 金属和无机非金属材料的线膨胀系数小，聚合物材料大。 2 )热膨胀和温度、热容量的关系、平衡位置根据温度而变化，耦合力和热膨胀，温度t越低tan越小，反之，温度t越高，tan越大。 热膨胀系数与热容量密切相关，具有相似的规律。 1.4材料的热传导性，1 .热传导宏观规则热传导：一种材料的温度不均匀，或两种温度不同的物体接触时，热会自动从高温部向低温部传播。 稳态传热傅立叶定律非稳态传热，1.4材料的热传导性，2热传导的微观机构固体中的热传导主要通过晶格振动的晶格波(声子)和自由电子的运动实现：声

12、子热传导率，r :电子(声子)的热传导率除金属外，一般固体，特声子和声子传导，把声分支波视为弹性波，类似于在固体中传播的声波。 因此，音频波的量化被称为声子。 热传导是声子-质点的碰撞，热阻是声子-声子的碰撞。 固体(声子)热传导率的普遍公式(声子的速度与角频率无关):热容量c和平均自由程l的振动频率v的函数热传导率的大小主要依赖于c和l，光子热传导、固体中的分子、原子与电子的振动、旋转等运动状态的变化放射出高频率的电磁波， 光谱包含一定波长的热线，其热传导方式类似于光在介质中传播的现象，也有光的散射、衍射、吸收、反射和折射等，因此称为光子传导。 热传导是声子-质点的碰撞，热阻是声子-声子的碰

13、撞。 固体(光子)热传导率式(辐射传热中、容积热容量相当于提高辐射温度所需的能量):热传导率的大小主要依赖于平均自由行程lr和温度t。 材料的透明度与lr的变化趋势一致。 纯金属a )温度相对于纯铜，三个微小的t增大，增大区t增大，不变区t增大，铋减少，锑金属熔化后，热传导率上升2倍，共价键变弱，金属键被强化。 b )晶粒的大小：晶粒粗大，热传导率高的c )各向异性：立方晶系与晶体的方向无关，非立方晶的各感应性。 d )杂质：强影响，影响热传导率的因素，铜合金性能Propertiesofcopperalloy，影响热传导率的因素，合金a )无序固溶体：浓度增加，热传导率减少，最小值一般在50%

14、。 b )规则固溶体：热传导率提高，最大值与规则固溶体的成分相对应。 c )钢中的合金元素、杂质和组织状态影响热传导率。 奥氏体淬火马氏体回火马氏体珠光体，影响热传导率的因素，无机非金属的热传导：1)传导机理：热传导主要是声子，光子热传导。 2 )热传导率的影响因素： a )温度：单晶Al2O3在4个温度区间的快速上升区极大值区快速下降区缓慢下降区b )化学组成：无机非金属材料：材料结构相同，相对原子质量小，密度小，弹性模量大，器件温度越高，热传导率越大。 轻元素的固体和结合能大的固体热传导率大。 固溶体：降低导热率，影响导热率的因素；c )晶体结构的影响：晶格结构复杂时，导热率下降。d )非

15、晶热传导具有特殊性：不考虑光子热传导，在所有温度下，非晶热传导在比结晶低的温度下，热传导率在比较接近非晶热传导的温度变化下未出现极值。 影响导热系数的因素，各种材料的导热系数，金属材料是高导热系数自由电子在导热中起主要作用的金属晶体中的晶格缺陷，微细结构和制造工艺影响导热性的晶格振动无机陶瓷和其他绝缘材料的导热系数低。 热传导取决于晶格振动(声子)的中继。 高温下晶格振动剧烈，电子运动的贡献增加，其热传导率随温度上升而增大。 半导体材料的热传导：电子和声子的共同贡献为低温时，声子是热传导的主要载流子。 由于在高温下电子进入导带，导热性显着增大。 高分子材料热传导率低的热传导是分子链和链的运动的

16、传递，对能量传递的效果低。 热传导率的测量、稳态方法：理论基础：傅立叶热传导规律的重要因素：控制温度的稳态，样品的几何尺寸、热传导率的测量非稳态方法：实验依据：样品温度场随时间的变化(测量热端热波衰减过程的波长和波速可得到热传导率)的重要因素：实现热的一维传播为了实现热端温度随时间单调变化的边界条件，有必要测量样品的比热和密度、1.5材料的热稳定性.概念和特征：热稳定性：材料受到温度急剧变化而不破坏的能力(耐热冲击性)热冲击破坏类型：1)耐热冲击破坏性：抵抗材料瞬间破坏的能力2 耐热冲击损伤性：热冲击循环作用下材料表面破裂、剥落发展，最终发生故障或破坏的材料抵抗这种破坏的能力。 红外窗抗压ZnS，165度保温1小时，投入19度的水，不可有微裂缝的火箭喷嘴：瞬间受到3000-4000K温差的热冲击，同时也受到高速气流和化学腐蚀作用。 日用瓷器：不断升温，投入水中，直到出现裂纹为止，在上次的温度下热稳定性耐火物：加热850度，保温，水3分钟或在空气中5-10分钟，重量达到20%，1.5材料的热稳定性2 .热应力：仅由材料的热膨胀或收缩引起的内部