第八章-材料的热学性能(8学时)

第八章材料的热学性能第一节热学性能的物理基础第二节热容第三节热膨胀第四节热传导第五节热稳定性材料热学性能研究的意义在空间科学技术中的应用:航天飞行器，涡轮发动机叶片,电真空封装材料。在能源科学技术中的应用:太阳能，工业炉衬，航天飞行器，建筑材料,保温玻璃.在电子技术和计算机技术中的应用:热驱动材料,集成电路基片等。在科学研究中的应用：热性能与其它性能的关联性是材料研究的重要方法。材料的使用环境低温中温高温Al-Mg-Li合金力学性能随温度变化曲线热学性能的概念①碳包覆LiFePO4正极在不同温度下的可逆放电容量-倍率关系图②顺磁体随温度升高磁化率下降③对室温时为铁磁性的铁磁体、亚铁磁体物质来说，当温度升高到特定温度后，转变为顺磁性④对室温时为反铁磁性物质，随温度T升高磁化率升高，当T温度升高到特定温度后，转变为顺磁性①②③④热学性能：包括热容（thermalcontent），热膨胀（thermalexpansion），热传导（heatconductivity），热稳定性（thermalstability）等。本章目的就是探讨热性能与材料宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打下理论基础。第一节热学性能的物理基础1、晶格热振动固体材料的各种热学性能，均与构成材料的质点(原子、离子)热振动有关，点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置作微小振动。晶格热振动是三维的3个方向的线性振动。第一节热学性能的物理基础式中：=微观弹性模量（micro-elastic-modulus），=质点质量（mass），=质点在x方向上位移（displacement）。热性能的物理本质：晶格热振动（latticeheatvibration），根据牛顿第二定律，简谐振动方程（simpleharmonicvibrationequation）为：第一节热学性能的物理基础谐振，在运动学就是简谐振动，该振动是物体在一个位置附近往复偏离该振动中心位置（叫平衡位置）进行运动，在这个振动形式下，物体受力的大小总是和他偏离平衡位置的距离成正比，并且受力方向总是指向平衡位置。谐振子即振动质点把振动物体看作不考虑体积的微粒（或者质点，点电荷）的时候，这个振动物体就叫谐振子。第一节热学性能的物理基础第一节热学性能的物理基础2、热量某材料内热振动时有N个振动质点，那么存在N个振动频率，每个振动频率具有一定的动能，各质点热运动时动能的总和：即：各质点热运动时动能总和就是该物体的热量。由于材料质点间有着很强的相互作用力，每个质点的振动会影响邻近质点的振动，使它们之间存在一定位相差，形成弹性波的形式在整个材料内传播。弹性波是多频率振动的组合波。弹性波在固体中的传播速度υ为3×103m/s，晶体的晶格常熟a约为10-10m，声频振动的最小周期为2a，因此弹性波的最大振动频率为第一节热学性能的物理基础γmax=υ/2a=1.5×1013(Hz)第一节热学性能的物理基础3、弹性波(格波)弹性波（格波）：包括振动频率低的声频支(声学支)和振动频率高的光频支(光学支)。(1)声频支振动:如果振动着的质点中包含频率很低的格波，质点彼此之间的位相差不大。声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向。由于两种原子的质量不同，振幅也不同，所以两原子间会有相对运动。（2）光频支振动:格波中频率很高的振动波，质点间的位相差很大，频率往往在红外光区。光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小，频率很高的振动。第一节热学性能的物理基础（3）声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向；光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小、频率很高的振动。(a)声频支(b)光频支设原子间以弹性力相联系，等效弹性系数为ke，只考虑相邻原子的相互作用，根据HOOK定律，可得运动方程为)2()2(212122212222121nnnennnnenxxxkxmxxxkxm第一节热学性能的物理基础假定m2﹥m1，则该方程的解为式中，A、B分别为两类原子的振幅；ω为角频率；L=2π/λ为波矢值（波数）])2([2])12([12anLtinanLtinBexAex0)2()cos2(0)cos2()2(2221BkmALakBLakAkmeeee第一节热学性能的物理基础第一节热学性能的物理基础作图如右显然对于每一个L值，有两支独立的振动模式ω＋、ω－，分别对应根号内取正、负号时的角频率ω＋称为“光学支”ω－称为“声学支”第一节热学性能的物理基础中国科学开发出世界最轻材料，能立在花瓣上！2013年3月19日“碳海绵”材料密度仅为0.16毫克/立方厘米，比氦气还要轻，刷新了此前世界最轻固态材料0.18毫克/立方厘米的纪录。“碳海绵”可任意调节形状，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件。把“碳海绵”撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。另外，“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔的应有前景。用冷冻干燥法使纳米碳纤维和石墨烯的混合溶液凝固，然后在较高真空下使溶液蒸发干燥，从而得到由碳构成的海绵状材料。冷冻干燥设备石墨烯石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯被称为世界上最薄的材料，三百万张石墨烯的叠加才可以产生一毫米厚的高度。但这种特殊的材料十分轻，结构也很强韧，一平方米的材料仅有0.77毫克重，但却可支撑一只4公斤的成年猫。第二节热容一、热容的基本概念1、热容在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容，单位为J/K。热容表达式为：不同材料，热容量不同TTTQC)(热容是使材料温度升高1k所需的热量。C=ΔQ/ΔT(与质量,组成,过程,温度T有关)它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。第二节热容单位质量材料的热容又称之为“比热容”或“质量热容”,单位为J／(kg·K)；TdTdQmC)(1'MCCm'1mol材料的热容则称为“摩尔热容”，单位为J／(mol·K)同一种材料在不同温度时的比热容也往往不同，通常工程上所用的平均比热容是指单位质量的材料从温度T1到T2所吸收的热量的平均值:mTTQcJ1.12第二节热容第二节热容T1-T2的范围愈大，平均比热容精确性愈差。当温度T2无限趋近于T1时，材料的比热容，即真实比热容为：mTQcZ1.mTTQcJ1.12比定压热容：加热过程在恒压条件下进行时，所测定的比热容比定容热容：加热过程在恒容条件下进行时，所测定的比热容mTHmTQcppp1.)(1.)(mTEmTQcVVV1.)(1.)(第二节热容科学研究中常用工程技术中常用恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功(膨胀功)，每提高1K温度需要吸收更多的热量第二节热容Cp＞Cv根据热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：式中：V0＝摩尔容积，＝体膨胀系数（expansioncoefficient），＝压缩系数（compressioncoefficient）。对于固体材料CP与CV差异很小，见下图：第二节热容材料热容的规律金属热容随温度T变化规律无机材料的热容随温度T变化规律第二节热容金属热容随温度变化规律高温区：CV→3R=25J/(mol.K);低温区:CV→∝T3;T→0K时,CV→0.低温CV3R高温T第二节热容金刚石热容的实验值00.10.20.30.40.50.60.70.80.9T/ECv(J/moloC)··6×4.185×4.184×4.183×4.182×4.181×4.18·······金刚石热容的实验值与计算值的比较其中E=1320k第二节热容无机材料的热容规律不同温度下某些陶瓷材料的热容第二节热容2.晶态固体热容的经验定律（experiencelaw）和经典理论（classicaltheory）（2）化合物热容定律——柯普定律：“化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和”理论解释：C=Σnici其中，ni＝化合物中元素i的原子数ci＝元素i的摩尔热容（1）元素的热容定律——杜隆—珀替定律：“恒压下元素的原子热容等于25J/(K·mol)”理论解释：C=3R3）经典理论固体中可以用谐振子来代表每个原子在一个自由度的振动；每个自由度上的平均能量为kT；平均位能和平均动能都为1/2.kT；一个原子有三个振动自由度，平均动能和位能的总和就等于3kT。1mol固体中有NA个原子，总能量：E=3NAkT=3RT式中：NA：阿弗加德罗常数，6.023×1023/molk：波尔茨曼常数：1.381×10-23J/KR：气体常数：8.314J/(K.mol)第二节热容由上式可知，固体摩尔定容热容是与温度T无关的常数（constant），这就是杜隆一珀替定律。对于双原子的固体化合物，1mol中的原子数为2NA，故摩尔热容为按热容定义，1mol单原子固体物质的摩尔定容热容：第二节热容4）杜隆一珀替定律恒压下元素的原子热容为25J/(mol·K)第二节热容高温时大部分元素的原子热容都接近该值。轻元素热容需改用下值：H:9.6;B:11.3;C:7.5;O:16.7;F:20.9;Si:15.9;P:22.5;S:22.5;Cl:20.4杜隆-珀替(Dulong-Petit)定律：恒压下元素的原子热容为25J/(mol·K)局限性：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的三次方趋近于零的试验结果成功之处：高温下与试验结果基本符合第二节热容不同温度下某些陶瓷材料的热容高温下热容为25J/(mol·K)（基本符合）热容按T的三次方趋近于零（不符）第二节热容对于双原子的固态化合物，摩尔定容热容为Cv、m＝2×25J/(K·mol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为Cv、m=3×25J/(K·mol)杜隆—珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低温下时却相差较大，实验结果表明．材料的摩尔热容，是随温度而变化的第二节热容日研发出纸质太阳能电池：超薄可弯曲形容一种东西不耐用、不结实时，人们常说它“像纸糊的”。日本一个研究小组却以木浆为原料，研发出一种新型太阳能电池板，这种“纸糊的”太阳能电池环保、廉价且超薄可弯曲，将来可能大有用武之地。为了保证透光率，通常太阳能电池板使用透明的玻璃或塑料。大阪大学产业科学研究所副教授能木雅也率领的研究小组以木浆中的植物纤维为原料，通过压缩加工，成功研发出厚度仅有15纳米的透明材料，并以此为基板，将光电转换有机材料和配线用压力嵌入，从而制成纸质太阳能电池。据称，“纸糊的”太阳能电池光电转换效率只有3%，远不及一般发电用太阳能电池10%至20%的转换率，但和玻璃基板太阳能电池差不多，而且便携易用，制造简单，成本极低，开发者希望几年后能实用。一种新型弹性电池，由众多可弯曲和延伸到最大程度的小电池构成，可令医生直接将其缝合到心脏组织中。一旦全部完成，这种新电池还将导致技术改进。这种弹性电池的研发人之一、美国西北大学的黄永刚表示：“这样的可伸缩电池使弹性电子集成在一个小包中。”这种小电池可从正常结构扭曲最大300%，而且不会遭到破坏。从理论上说，这种电池将来还能用于目前正被试验的弹性手机。这项新技术由美国西