1、第一章第一章 材料的热学性能材料的热学性能航天飞机穿航天飞机穿过大气层返过大气层返回时，表面回时，表面最高温度超最高温度超过过1500热膨胀；热膨胀；热传导；热传导；热稳定性；热稳定性；热膨胀；热膨胀；热传导；热传导；热稳定性；热稳定性；1.热传导；热传导；2.替代氟利替代氟利昂的热电材昂的热电材料，导热系料，导热系数影响；数影响；解决办法：解决办法：1.掌握材料热学性能的物理本质；掌握材料热学性能的物理本质；2.熟悉影响材料热学性能的主要因素；熟悉影响材料热学性能的主要因素；3.改善材料或器件的热学性能；改善材料或器件的热学性能；热学性能：热学性能：热容、热膨胀、热传导、热稳定性等；热容、热
2、膨胀、热传导、热稳定性等；这些热学性能是不是孤这些热学性能是不是孤立的？有无内在联系？立的？有无内在联系？1.1 热学性能的物理基础热学性能的物理基础系统（体系）：在热力学中，将所研究的宏观系统（体系）：在热力学中，将所研究的宏观物质称为热力学系统。物质称为热力学系统。环境：将体系以外，与体系密切相关，影响所环境：将体系以外，与体系密切相关，影响所能及的部分，称为环境。能及的部分，称为环境。热力学平衡状态：一定外界环境条件下，系统热力学平衡状态：一定外界环境条件下，系统的宏观性质不随时间而改变的状态称为热力学的宏观性质不随时间而改变的状态称为热力学平衡状态。平衡状态。热力学平衡状态热力学平衡状
3、态 动态平衡状态动态平衡状态宏观：宏观的性质不随时间而改变。宏观：宏观的性质不随时间而改变。微观：质点在不断的做热运动。微观：质点在不断的做热运动。动态平衡状态动态平衡状态宏观性质是微观宏观性质是微观性质的统计结果性质的统计结果宏观的动态平衡宏观的动态平衡：热平衡、力平衡、化学平衡、相：热平衡、力平衡、化学平衡、相平衡。平衡。热平衡：热平衡：系统内无隔热壁时系统温度处处相等；系统内无隔热壁时系统温度处处相等；系统与环境之间无隔热壁时系统与环境温度相等。系统与环境之间无隔热壁时系统与环境温度相等。力平衡力平衡无刚性壁时，无受力不均现象。无刚性壁时，无受力不均现象。相平衡相平衡各相之间不随时间发生
4、变化。各相之间不随时间发生变化。化学平衡化学平衡化学组成和物质数量不随时间变化。化学组成和物质数量不随时间变化。热力学基本定律热力学基本定律：热力学第一定律热力学第一定律能量守恒能量守恒。系统必须不断从外界获得能量才能保持不系统必须不断从外界获得能量才能保持不断地对外做功断地对外做功 只说明了功、热只说明了功、热 转化的数量关系，转化的数量关系，它不能它不能解决过程进行的限度问题，以及过程进行的方解决过程进行的限度问题，以及过程进行的方向问题。后两个问题要依靠热力学第二定律解向问题。后两个问题要依靠热力学第二定律解决。决。热力学第二定律热力学第二定律过程的方向性过程的方向性（1）克劳修斯：不可
5、能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它的变化。（2）开尔文：不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起它的变化。（3）玻尔兹曼：自然界里的一切过程都是向着状态概率增长的方向进行的。这是热力学第二定律的统计意义。实际应用中，热力学第二定律常用熵（S）来表述。熵（熵（S S）函数的物理意义）函数的物理意义：S是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，S就越大。热力学第二定律用熵（S）表述也就是熵增加原理：在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵不减小的方向进行的，它是不可逆的。平衡态对应于熵最大的状态，即熵增加原理。0S 当温度相同时，对于同一种金属，原子排列疏松的结构的熵将大
6、于原子排列密集结构的熵。在低温时，原子排列疏松的结构的自由能大于原子排列密集结构的自由能，因此，密排结构属于稳定相；在高温时，原子排列疏松的结构的熵大于密排结构的熵，因此，原子排列疏松的结构属于稳定相。高温高温低温低温G =H -TSH =U +PV 热力学第三定律热力学第三定律规定熵规定熵 普朗克（M.Planck,1858-1947,德）表述为：热力学第三定律可表述为“在热力学温度零度（即T=0开）时，一切完美晶体的熵值等于零。”所谓“完美晶体”是指没有任何缺陷的规则晶体。热力学第三定律认为，当系统趋近于绝对温度零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。绝对零度绝对零度不可达到这个结论称做
7、热力学第三定律。微观质点不断做热运动热力学的状态：宏观性质微观量的统计结果微观上，热性能微观上，热性能的物理本质是：的物理本质是：晶格热振动晶格热振动晶格热振动，即点阵中的质点（原子、离子）晶格热振动，即点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置做微小振动；总是围绕着平衡位置做微小振动；实际中，晶格热振动是三维方向的，现假设晶格热振动是一维方向的。根据牛顿第二定律简谐振动方程，设质点质量是m，在x方向上某一瞬间的位移是xn,相邻两质点的位移分别是xn+1、xn+1，是微观弹性模量：2112(2)nnndxmxxxdt温度温度，动能，动能频率、振幅频率、振幅 各质点热运动时动能的总和，就是该物
8、各质点热运动时动能的总和，就是该物体的热量：体的热量：相邻质点间的振动存在一定相位差，使得相邻质点间的振动存在一定相位差，使得晶格热振动就以弹性波的形式在整个材料内传播，晶格热振动就以弹性波的形式在整个材料内传播，这种弹性波极为：格波。这种弹性波极为：格波。1Ni()i动能热量晶格热振动，即点阵中的质点（原子、离子）晶格热振动，即点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置做微小振动；总是围绕着平衡位置做微小振动；1.2 材热容（热容（Heat capacity）：）：一定量的物质在一定条件下温度升高一定量的物质在一定条件下温度升高1度所需要度所需要 的热，的热，是用以衡量物质所包含的热量的物
9、理是用以衡量物质所包含的热量的物理 量，用符号量，用符号C 表示，单位是表示，单位是JK-1。摩尔热容：摩尔热容：1摩尔物质的热容，用摩尔物质的热容，用Cm表示，单位是表示，单位是Jmol-1K-1。比热容：比热容：1千克物质的热容，用千克物质的热容，用c表示，单位是表示，单位是Jkg-1K-1。定压热容和定容热容：定压热容和定容热容：等压条件下的热容称定压热容，用符号等压条件下的热容称定压热容，用符号Cp表示；表示；等容条件下的热容称定容热容，用符号等容条件下的热容称定容热容，用符号CV表示。表示。对于固体和液体来说，对于固体和液体来说，Cp和和CV近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽略。
10、近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽略。对于理想气体来说，对于理想气体来说，Cp,m CV,m=R，其中，其中R是理想气体常数是理想气体常数 例题一例题一 烧杯中装有200ml酒精，用出一半后，余下部分的质量是 ，密度是 ，比热容是 。（酒精的密度是0.8103kg/m3；酒精的比热容是2.4103J/kg.K）换算单位：kg/m3=1000g/1000L=10-3 g/ml 解析：解析：比热容和密度一样，是物质的基本属性。其值由物质种类决定，跟物体体积大小、质量多少、温度高低无关。答案：答案：80g；0.8103kg/m3；2.4103J/kg.K例题二例题二答案：答案：0.88103J/
11、kg.K 或 0.88103J/kg.n一铝块质量是500g，温度升高1，吸收0.44103J的热量，则铝的比热容是 ，写作 。1.杜隆杜隆-珀替定律：珀替定律：大部分固态单质的比热容与原子量的乘积几乎都相等。1819年法国科学家P.-L.杜隆和A.T.珀替测定了许多单质的比热容之后，发现这个定律。比热容和原子量的乘积就是1摩尔原子的温度升高1度所需的热量，习称为原子热容，所以这个定律也叫原子热容定律，即“大多数固态单质的原子热容几乎都相等”。杜隆珀替定律出现在道尔顿原子论问世不久,原子量数据还处于混乱的年代，杜隆和珀替大胆地按此定律修正了一批元素的原子量。如当时公认锌的原子量为129；按原子
12、热容定律修正为64.5,这和现代精确的原子量65.39很相近。又如当时公认银的原子量为379；按原子热容修正为108，这和现在的银原子量 107.8682很相近。对铅、金、锡、铜、镍、铁、硫等元素的原子量,也都有类似的修订。此外还有一些元素如锂、钠、钾、钙、镁等，它们没有挥发性的化合物，确定原子量过程中常用的气体密度法无法采用，所以它们的原子量约值也是由原子热容定律确定的。这个定律虽然只能确定原子量的约值，但它是与一般化学分析方法迥然不同的物理方法，它为统一原子量提供了独特的信息。正确的原子量是发现周期律的依据,所以杜隆-珀替定律起过重要的历史作用。热容的经验定律和经典理论热容的经验定律和经典
13、理论1.杜隆杜隆-珀替定律：珀替定律：恒压下元素的原子热容为恒压下元素的原子热容为 。)./(25KmolJCp元素元素H HB BC CO OF FSiSiP PS SClCl9.69.611.311.37.57.516.716.7 20.920.9 15.915.9 22.522.5 22.522.5 20.420.4pC 轻元素的原子热容需改用表中的值2.柯普定律：柯普定律：化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和，即热容之和，即2.柯普定律：柯普定律：化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和
14、，即热容之和，即 iinCCiniC 为化合物中元素i 的原子数，为元素i的摩尔热容。例题：例题：利用柯普定律计算化合物NaCl、H2O、Fe2O3的摩尔热容。iinCC2.柯普定律：柯普定律：化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和，即热容之和，即iinCC2.柯普定律：柯普定律：化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和，即热容之和，即iinCC用途用途：杜隆珀替定律：从比热推算未知物质的原子量;柯普定律：可得到原子热即摩尔热容，进一步推算化合物的分子热。存在的问题：存在的问题：杜隆珀替定律在高温
15、时与实验结果很吻合，但在低温时，CV 的实验值并不是一个恒量，它随温度降低而减小，在接近绝对零度时，热容值按T3的规律趋于零。对于低温下热容减小的现象无法用经典理论很好的进行解释，需要用量子理论来解释。爱因斯坦量子热容模型爱因斯坦量子热容模型德拜比热模型德拜比热模型简化模型：简化模型：普朗克量子理论基本观点：普朗克量子理论基本观点：同一物体内，同一温度下，质点的热振动大小不是一个定值，即动能大小不是定值，但能量是量子化的,h。量子化量子化（quantization）在经典物理学中，对体系物理量变化的最小值没有限制，它们可以任意连续变化。但在量子力学中，物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化，
16、具体有多大要随体系所处的状态而定。这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化。变化的最小份额称为量子。例如，频率为的谐振子，其能量不是连续变化，而是只能以h的整数倍变化，欲使其能量改变h的几分之几是不可能的。微粒的角动量也是量子化的，其固有量子是h/2。量子化是微观体系基本的运动规律之一，它与经典力学是不相容的。例如例如:flash影片是由许多时间帧构成的，每隔0.0几秒，就换一张图片，而不是连续不断的。每张图片，就是构成一段录像的“量子”，是不可分割的。这其实就是一种量子化量子化。1)爱因斯坦热容模型爱因斯坦热容模型基本观点基本观点：原子的振动是独立而互不依赖的；具有相同的周围环境，振动
17、频率都是相同的；振动的能量是不连续的、量子化的。结论：结论：1.高温时，Cv=3R，与杜隆-珀替公式相一致。2.低温时，Cv随T变化的趋势和实验结果相符，但是比实验更快的趋近于零。3.T0K时，Cv也趋近于0，和实验结果相符。2）德拜比热模型德拜比热模型基本观点基本观点：晶体中原子具有相互作用，晶体近似为连续介质。基础：基础：由于晶格中对热容的主要贡献是弹性波的振动，声频波的波长远大于晶体的晶格常数，可以把晶体近似看成连续介质。结论：结论：1.1.温度较高时，温度较高时，即即T D时，时，Cv=3R，即杜隆，即杜隆-珀替定律。珀替定律。2.温度较低时，即温度较低时，即TD时，时，Cv与与T3成
18、正比并成正比并随随T0而趋于而趋于0.3.温度越低，与实验值越吻合。温度越低，与实验值越吻合。弥补了爱因斯坦量子热容模弥补了爱因斯坦量子热容模型的不足；但不能解释超型的不足；但不能解释超导等复杂问题，因为晶体导等复杂问题，因为晶体不是连续体。不是连续体。热容研究意义热容研究意义 热容（或热焓）热容（或热焓）的测量是研究材料相变过程的重要手段。分析热容（或热焓）与温度的关系，测量热和温度能够确定临界点，并建立合金状态图，能够获得材料中相变过程的规律。相变相变 相结构相结构：固态液态气态三种结构，也可称为三种“相”。“相相”、“晶晶”、“元元”的区别的区别：多元合金多元合金：指的是有多种元素。既可
19、能是单相，也可能是多相；既可能是单晶，也可能是多晶体。多晶合金多晶合金：指的是有许多个晶体。既可能是单相，也可能是多相；既可能是单元，也可能是多元；多相合金多相合金：指的是有多种不同的结构。既可能是单元，也可能是多元；但一定是多晶体，不可能是单晶体。相图相图 金属中常用的简单的二元相图中，例如Pb-Sn，横轴表示合金的成分，纵轴表示温度。即可表示在A金属中加入了多少量的B金属，加热到多少度时会得到什么状态的产物？多少度时合金才会熔化？相图是用来描述合金的状态与温度及成分之间关系的简明图形。对于任一成分的合金，只要从相图上找出相应的表象点，就可以了解此时合金中存在哪些相，各个相的成分以及相对量。
20、但在相图中，不能确定一个合金的具体结构状态，如晶粒的大小与形状，相的弥散程度等。尽管如此，相图仍是研究材料的重要工具。外界条件发生变化的过程中物相在某一特定的条件下（临界值时）发生突变。例如：H2O，即可以柔如水，也可坚如冰，也可虚无缥缈如蒸汽。突变可以表现为突变可以表现为：（1）从一种结构变化为另一种结构，如气相凝聚为液相，液相凝聚为固相，或固相中不同晶体结构之间的转变。（2）化学成分的不连续变化，例如用海水制盐时，当海水蒸发浓缩到一定程度时脱溶沉淀析出盐晶体，盐的成分相对于海水发生了突变，又如海上的冰山常被认为是飘浮在海上的淡“水”，因为海水结冰时冰的成分相对于海水也发生了突变。（3）某种
21、物理性质的跃变：如顺磁铁磁转变，顺电铁电转变，正常态超导态转变等，反映了某一种长程有序的出现或消失；又如金属非金属转变，液态玻璃态转变等，则对应于构成物相的某一种粒子（如电子或原子）在两种明显不同的状态（如扩展态与局域态）之间的转变。强调强调：如果材料所有的结构和性能指标都发生连续变化，则并没有发生相变。例如水在1个标准大气压下，在4100之间改变温度时，虽然热胀冷缩，但这种变化是连续的，不能称之为相变。只有升温到100后继续加热使水汽化，才发生相变。因为从100的水到100的蒸汽，密度发生了突变。相变是处于凝聚态物理与材料科学结合部上的一个广阔的研究领域。热容与相变的关系热容与相变的关系 若
22、发生相变时，自由焓的一级导数发生突变，则称为一级相变。若发生相变时，自由焓的一级导数连续，二级导数发生突变，则称为二级相变，以此类推，可定义更高级的相变。自由焓的一级导数为体积和熵，所以发生一级相变时，体积突变，有相变潜热释放。自由焓的二级导数为比热、膨胀系数、压缩系数，所以发生二级相变时，虽无体积突变和潜热释放，但比热容、膨胀系数、压缩系数等却发生跃变。图表示了一级相变中两相自由焓、熵与比热容随温度的变化；一级相变中几个物理量的变化（a）自由焓；（b）熵；（c）定压比热容 在相变点Tt上，G和G两条曲线相交：当温度TTt时，G G，故相将可自发转变成相；而当温度TTt时，GG，故相将可自发转
23、变成相。在相变点上，焓、熵和体积等均发生跳跃变化，相变的潜热则等于焓的跃迁值G，这反映了体系在相变前后结构上的明显差异。因此，一级相变往往属于结构上重构型相变。在动力学上由于涉及到结构的重组，常出现所谓的相变滞后现象。图18-1 重构型和位移型相变结构变化示意图（a）高温相；（b）重构机制相变；（c）位移机制相变 重构型相变可以划分为三个亚类重构型相变可以划分为三个亚类：母相转变为结构不同，但成分相同的一种新相，如纯水凝固成冰，纯铁的奥氏体转变为铁素体等，可用通式 表示；母相中析出第二相，同时自身的成分改变，但结构不变，如过共析钢中奥氏体降温时析出渗碳体，Cu在Al中的过饱和固溶体的脱溶沉淀等
24、，可用通式 表示；母相转变为成分、结构都不同于自身的两个新相，如钢中奥氏体共析转变，钢液的共晶凝固等，可用通式 表示。当外界条件改变时，上述三个亚类的转变也能逆向进行。一级相变的特点一级相变的特点：在相变点上，两相自由焓相等，因而两相可以共存，有相变滞后现象。二级相变的特点二级相变的特点：二级相变中几个物理量的变化（a）自由焓；（b）熵；（c）定压比热容 至于二级相变，在低于相变点Tc的温度，相是稳定的，而在高于Tc的温度，相是稳定的。相的G曲线和相的G曲线在Tc 相衔接，在相变点Tc 上，两曲线的斜率是相同的，两曲线向前延伸就没有意义了。这样，二级相变的自由焓曲线实际上只是一根曲线，因而不存
25、在压稳相，也没有相变滞后和两相共存现象。实际材料中发生的大部分相变都属于一级相变，但由于二级相变涉及的物理过程相对简单，所以在理论研究方面，对二级相变所开展的工作比较深入。热容的测量热容的测量 热容（或热焓）的测量方法很多，如量热计法、撒克司法、斯密特法以及热分析测定法等。前几种方法由于无法保证材料热容测量中严格的绝热要求，因此在实际操作中比较困难，而热分析测定法避免了这个缺点，因此得到了广泛的应用。在这里介绍这种广泛应用的相变测试方法热分析测定法。热分析测定法热分析测定法 热分析测定法主要分为：普通热分析：连续测定样品在加热或冷却过程中温度和时间的关系曲线，也称为热分析曲线。样品常采用带中心
26、孔的圆棒样品，热电偶热端放置于样品的中心孔内，与样品焊在一起，通过记录加热及冷却过程中的温度及时间，就可以得到温度-时间热分析曲线。这种方法适用于研究热效应较大的物态转变问题，如测定材料结晶、熔化的温度或温区。但是对于金属、合金等材料，其相变中伴随的热效应小，普通热分析法灵敏度就不能满足测量的要求，此时就需要利用灵敏度、准确度更高的差热分析法进行测量。热分析测定法热分析测定法 差热分析法差热分析法（Differential Thermal Analysis，简称DTA）：是指在程序升（降）温过程中，由于样品的吸、放热效应，测量在样品和参比物之间形成的温度差，这种热效应是由于样品在特定温度相转变
27、或发生反应所产生的。虽然DTA技术有方便、快速、样品用量少、适用范围广的优点，但DTA也有重复性差、分辨率不够高的缺点。DTA测量的温差除了与样品热量变化有关外，还与体系的热阻有关，但是热阻本身并不是一个确定的值，是与热传导系数以及热辐射有关，因此热阻会依实验条件（如温度范围、坩埚材质、样品性质等）而改变。差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，简称DSC）。无机材料的热容无机材料的热容 图图1.5 不同温度下某些陶瓷材料的热容不同温度下某些陶瓷材料的热容D 0.2-0.5T熔熔多数氧化物、碳化物，约1273K后，热熔为25J/（KMol）注意：无机
28、材料的摩尔热容与材料注意：无机材料的摩尔热容与材料结构关系不大；体积热容和材料结结构关系不大；体积热容和材料结构中的气孔率密切相关。构中的气孔率密切相关。2PCabTcT 固体材料热容固体材料热容Cp与温度与温度T的经验公式：的经验公式：Cp的单位为的单位为4.18 J/(K.mol)多孔材料质量轻，体多孔材料质量轻，体积热容小。例：硅积热容小。例：硅藻土，泡沫刚玉等藻土，泡沫刚玉等。实验证明，实验证明，573K:573K:n ni i为化合物中元素的原子数，为化合物中元素的原子数，C Ci i为化合物中元素为化合物中元素i i的摩尔热容。的摩尔热容。g gi i为材料中第为材料中第i i种组
29、成的质量百分数，种组成的质量百分数，C Ci i为材料中为材料中第第i i种组成的比热容。种组成的比热容。适用：适用：1.1.大多数氧化物和硅酸盐化合物。大多数氧化物和硅酸盐化合物。2.2.多相复合材料。多相复合材料。iicnciicg c对于金属：其载流子主要是声子和电子。对于金属：其载流子主要是声子和电子。低温时有：低温时有：金属和合金的热容金属和合金的热容 区区 CV T 区区 CV T3 区区 CV 3R TaTCCCeVLVV3和为热容系数，由低温热容实验测得。关于金属热容的说明：关于金属热容的说明：一般情况下，常温时点阵振动贡献的热容远一般情况下，常温时点阵振动贡献的热容远大于电子
30、热容，只有在温度极低或极高时，大于电子热容，只有在温度极低或极高时，电子热容才不能被忽略。电子热容才不能被忽略。对于过渡族金属，由于对于过渡族金属，由于s s层、层、d d层、层、f f层电子层电子都会参与振动，对热容作出贡献，也就是说都会参与振动，对热容作出贡献，也就是说过渡族金属的电子热容贡献较大，因此，过过渡族金属的电子热容贡献较大，因此，过渡族金属的定容热容远大于简单金属。渡族金属的定容热容远大于简单金属。合金的热容合金的热容 合金的摩尔热容可以由组元的摩尔热容按比例合金的摩尔热容可以由组元的摩尔热容按比例相加而得，这就称为相加而得，这就称为纽曼柯普定律。纽曼柯普定律。即 其中：X1，
31、X2，,Xn分别是组元所占的原子分数，C1，C2，,Cn分别为各组元的摩尔热容。nnmcXcXcXcXc332211说明：说明：1.定律的普适性；定律的普适性；2.热处理对于合金在高温下的热容没有明显影响。热处理对于合金在高温下的热容没有明显影响。组织转变对热容的影响组织转变对热容的影响1.对于一级相变：对于一级相变：在相变点，热容发生突变，热容在相变点，热容发生突变，热容为无限大；为无限大；2.对于二级相变：对于二级相变：比热也有变化，但为有限值。比热也有变化，但为有限值。1.3 材料的热膨胀材料的热膨胀热膨胀的概念：热膨胀的概念：用来描述温度变化时材料发生膨胀或用来描述温度变化时材料发生膨
32、胀或收缩程度的物理量。收缩程度的物理量。假设物体原来的长度为假设物体原来的长度为l0，温度升高，温度升高T后长度的增加后长度的增加量为量为l，实验得出：，实验得出：l为为线膨胀系数线膨胀系数，物理意义：温度升高，物理意义：温度升高1K时，物体的时，物体的相对伸长量。相对伸长量。0llTl物体体积随温度的增加可表示为：物体体积随温度的增加可表示为：V为为体膨胀系数体膨胀系数，物理意义：相当于温度升高，物理意义：相当于温度升高1K时物体体积相对增长值。时物体体积相对增长值。1.如果物体是立方体，有：2.对于各向异性的晶体，各晶轴方向的线膨胀系数不同，假设分别为a、b、c，则：0(1)TVVVT3V
33、lVabc注意：注意：1.对于各向异性的晶体材料的热膨胀系数大小直接与热稳定性有关。一般热膨胀系数愈小，材料热稳定性愈好。2.热膨胀有明显各向异性的材料，在选材及应用中必须充分考虑。例如：Si3N4的线膨胀系数为2.710-6 K-1，在陶瓷材料中是偏低的，因此热稳定性也好；热膨胀本质：热膨胀本质：点阵结构中的质点间平均距离随温度的升点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。高而增大。1.在质点平衡位置在质点平衡位置r0两侧：两侧：rr0 斜率小，引力随位移增加慢。斜率小，引力随位移增加慢。2.一定温度下，平衡位置不在一定温度下，平衡位置不在ro处，处，而是向右偏移，温度高，则偏移大；而是
34、向右偏移，温度高，则偏移大；导致宏观上晶体膨胀。导致宏观上晶体膨胀。Curve势能一原子间距离曲线势能一原子间距离曲线假想的假想的实际的实际的热膨胀现象解释热膨胀现象解释热膨胀与性能的关系热膨胀与性能的关系 1）热膨胀与结合能、熔点的关系：）热膨胀与结合能、熔点的关系：键强与热膨胀键强与热膨胀质点间的结合力越强，热膨胀系数越小，熔点质点间的结合力越强，热膨胀系数越小，熔点越高。越高。金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；聚合物材料则较大。1.1.温度温度T T越低，越低，tantan越小，则越小，则越小，反之，温越小，反之，温度度T T越高，则越高，则越大。越大。2.2.热膨胀系数与热容密切相
35、关并有着相似的规律。热膨胀系数与热容密切相关并有着相似的规律。2）热膨胀与温度、热容的关系热膨胀与温度、热容的关系平衡位置随温度的变化平衡位置随温度的变化1.4 1.4 材料的热传导材料的热传导SiCp/Al功能梯度材料挤塑聚苯乙烯保温板什么是热传导？什么是热传导？宏观规律：宏观规律：当固体材料一端的温度比另一端高高时，热量热量会自动从热端传向传向冷端，这个现象称为热传导。基本规律基本规律傅里叶定律：傅里叶定律：tSdxdTQ导热率导热率：单位单位温度梯度下，单位单位时间内通过单位单位垂直面积的热量。tSdxdTQ法向截面积；S传热时间；t局限性：局限性：1.不变；2.不变；dxdT非稳定稳态
36、热传导过程非稳定稳态热传导过程？稳态热传导过程稳态热传导过程 傅里叶定律傅里叶定律非稳定热传导过程非稳定热传导过程 微元体内：微元体内：积存的净热流量积存的净热流量+生成热生成热=内能增量内能增量一维：一维：22xTCtTptTCxTxp)(pC热扩散率：热扩散率：热传导的微观机理热传导的微观机理晶格热振动晶格热振动电子自由运动电子自由运动声子导热声子导热光子导热光子导热固体固体导热导热热传导过程：材料内部的能量传输过程能量的载体：电子（德布罗意波）声子（格波），声频波的量子 光子（电磁波）金属：主要是电子导热为主，合金/半导体：电子/声子导热，绝缘体：声子导热声子热传导：声子热传导：声子从高
37、浓度到低浓度区域声子从高浓度到低浓度区域的的 扩散过程。扩散过程。热阻：声子扩散过程中的各种散射。声子扩散过程中的各种散射。热传导系数热传导系数：lc31声子平均自由程。声子和声子导热微观机理声子和声子导热微观机理v格波的传播看成是质点-声子的运动；v格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞；v格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为声子同晶体质点的碰撞；v理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。v晶体中，热传导的实质就是碰撞。光子的导热：光子的导热：光子在介质中的传播过程光子在介质中的传播过程 的散射、衍射、吸收、反射和折射的散射、衍射、吸收、反射和折射热辐射：热辐射：热射线的传递过
38、程热射线的传递过程 （可见光与部分近红外光的区域）（可见光与部分近红外光的区域）光子和光子导热微观机理光子和光子导热微观机理温度升高温度升高晶格热振动能量升高晶格热振动能量升高格波频率升高格波频率升高光频支振动增强光频支振动增强光子传导明显光子传导明显 纯金属纯金属 a)温度温度 例如：对于纯铜，例如：对于纯铜，分为三个区分为三个区 区区 T增大，增大，增大增大 区区 T增大，增大，不变不变 区区 T增大，增大，减小减小 铋，锑金属熔化时，热导率上升一倍，共价键减弱，金铋，锑金属熔化时，热导率上升一倍，共价键减弱，金属键加强。属键加强。b)晶粒大小：晶粒大小：晶粒粗大，热导率高晶粒粗大，热导率
39、高 c)各向异性：各向异性：立方晶系与晶向无关，非立方各向导性。立方晶系与晶向无关，非立方各向导性。d)杂质：杂质：强烈影响强烈影响 影响热导率的因素影响热导率的因素铜合金的性能 Properties of copper alloy材 料组 成热膨胀系数10-6/热导率W/(mK)电导率IACS纯铜Cu17.0388-39995-101黄铜Cu-Zn18.1-19.829-6030-57锡青铜Cu-Sn17.5-19.112-209-18铝青铜Cu-Al17.1-18.260-1008-17硅青铜Cu-Si16.1-18.537-10410-28锰青铜Cu-Mn20.41086-16白铜Cu-
40、Ni1713020 合金合金 a)无序固溶体无序固溶体：浓度增加，热导：浓度增加，热导率减小，最小值一般在率减小，最小值一般在50%处。处。b)有序固溶体有序固溶体：热导率提高，最大：热导率提高，最大值对应于有序固溶体的成分。值对应于有序固溶体的成分。c)钢中的合金元素，杂质及组织状钢中的合金元素，杂质及组织状态都影响其热导率。态都影响其热导率。奥氏体奥氏体淬火马氏体淬火马氏体 回火马氏体回火马氏体T0 时，时，0，杆受压应力，杆受压应力 T0，杆受拉应力，杆受拉应力 2）因温度梯度而产生的热应力因温度梯度而产生的热应力 物体迅速加热时，外表面温度比内部高，则外表膨胀比内部物体迅速加热时，外表
41、面温度比内部高，则外表膨胀比内部大，但相邻的内部的材料限制其自由膨胀，因此大，但相邻的内部的材料限制其自由膨胀，因此表面受压应力表面受压应力，而，而相邻内部材料受拉应力相邻内部材料受拉应力。同理，迅速冷却时（如淬火），。同理，迅速冷却时（如淬火），表面受拉表面受拉应力应力，相邻，相邻内部材料受压缩应力内部材料受压缩应力。3）多相复合材料因各向膨胀系数不同而产生的热应力多相复合材料因各向膨胀系数不同而产生的热应力A B A B A B1）第一热应力抵抗因子第一热应力抵抗因子R：当最大热应力值当最大热应力值max f (强度极限），材料就不会断裂，材料强度极限），材料就不会断裂，材料所能承受的温差
42、越大，材料的热稳定性就越好。所能承受的温差越大，材料的热稳定性就越好。ERf)1(R：第一热应力因子；：第一热应力因子；：泊松比；：泊松比；a:热膨胀系数；热膨胀系数；E：弹性模量：弹性模量 3.抗热冲击断裂性能：抗热冲击断裂性能：2）第二热应力抵抗因子第二热应力抵抗因子R：热稳定性除与热稳定性除与Tmax相关外，还与下列因素有关：相关外，还与下列因素有关：a)材料热导率材料热导率：增加，其热应力小增加，其热应力小 b)传热的途径：传热的途径：材料愈薄，愈易达到温度均匀材料愈薄，愈易达到温度均匀 c)材料表面散热率：材料表面散热率：表面热传递系数表面热传递系数h,h越大，其热稳越大，其热稳定性
43、越差。定性越差。如材料样品的厚度为如材料样品的厚度为rm,则有毕奥模数则有毕奥模数 khrm 显然，显然，大，对热稳定性不利大，对热稳定性不利 2）第二热应力抵抗因子第二热应力抵抗因子R：单位：单位：(J/cm/S),如考虑样品的形状则有：如考虑样品的形状则有：lf、EkR)1(S为非平板样品的形状因子。为非平板样品的形状因子。讨论：具有高的热导率讨论：具有高的热导率,高的断裂强度，低的热膨胀系数和弹性模高的断裂强度，低的热膨胀系数和弹性模E，则具有高热冲击断，则具有高热冲击断 裂性能。裂性能。3）第三热应力抵抗因子第三热应力抵抗因子R（明确最大冷却速率）（明确最大冷却速率）4.抗热冲击损伤性
44、抗热冲击损伤性1.适合于含有微孔的材料、非均质的金属陶瓷。适合于含有微孔的材料、非均质的金属陶瓷。2.瞬时不断裂的原因是微裂纹被微孔、晶界、金属相所钉瞬时不断裂的原因是微裂纹被微孔、晶界、金属相所钉扎。扎。3.例如：耐火砖中含有气孔率时具有最好的抗热冲击损伤例如：耐火砖中含有气孔率时具有最好的抗热冲击损伤性，但气孔的存在会降低材料的强度和热导率，热应力性，但气孔的存在会降低材料的强度和热导率，热应力因子减小。因子减小。从断裂力学的观点出发以应变能从断裂力学的观点出发以应变能-断裂能为判据。断裂能为判据。材料中微裂纹扩展、蔓延的程度，积存的弹性应变能、裂材料中微裂纹扩展、蔓延的程度，积存的弹性应
45、变能、裂纹扩展的断裂表面能影响材料的抗热损伤性。纹扩展的断裂表面能影响材料的抗热损伤性。积存的弹性应变能较小，材料的扩展小；裂纹扩展的断裂积存的弹性应变能较小，材料的扩展小；裂纹扩展的断裂表面能大，裂纹的蔓延程度小。表面能大，裂纹的蔓延程度小。1.考虑问题的出发点考虑问题的出发点抗热应力损伤性正比于断裂表面能，反比于应变能的释放率。抗热应力损伤性正比于断裂表面能，反比于应变能的释放率。RE/2(1 )材料弹性应变能释放率的倒数，用于比较具有相同断裂表面材料弹性应变能释放率的倒数，用于比较具有相同断裂表面能的材料。能的材料。RE2 eff/2(1)用于比较具有不同断裂表面能的材料。用于比较具有不
46、同断裂表面能的材料。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。热稳定性不利。2.抗热应力损伤因子抗热应力损伤因子5.材料热稳定性的测定材料热稳定性的测定陶瓷热稳定性测定方法一般是把试样加热到一定的温度，接着放入适当温度的水中，判定方法为：根据试样出现裂纹或损坏到一定程度时，所经受的热变换次数；经过一定的次数的热冷变换后机械强度降低的程度来决定热稳定性；试样出现裂纹时经受的热冷最大温差来表示试样的热稳定性，温差愈大，热稳定性愈好。玻璃材料稳定性测定方法实验中常将一定数量的玻璃试样在立式管状电炉中加热，使样品内外的温度均匀
47、，然后使之骤冷，用放大镜考察，看试样不破裂时所能承受的最大温差。对相同组成的各块样品，最大温差并不是固定不变的，所以测定一种玻璃的稳定性，必须取多个试样，并进行平行实验。热分析技术的应用 测定并建立合金相图 实验基础：相平衡 热弹性马氏体相变的研究 能够较准确地测量马氏体相变过程中的温度信息 有序-无序转变的研究 以热效应判断有序-无序转变过程 钢中临界点分析 热效应与钢中含碳量有关习题习题 1.1试阐述经典热容理论、爱因斯坦量子热容理论及德拜试阐述经典热容理论、爱因斯坦量子热容理论及德拜热容理论，并说出它们的不同之处。热容理论，并说出它们的不同之处。1.5为什么导电性好的材料一般其导热性也好？为什么导电性好的材料一般其导热性也好？1.6一级相变、二级相变对热容有什么影响？一级相变、二级相变对热容有什么影响？1.8何谓差热分析（何谓差热分析（DTA）法？差热分析法与普通热分析）法？差热分析法与普通热分析法有何不同？在法有何不同？在DTA基础上发展起来的差示扫描量热基础上发展起来的差示扫描量热（DSC）法与）法与DTA有何不同？有何不同？
