第十章----材料的结构与热学性能

第十章材料的结构与热学性能李文戈教授商船学院材料结构与性能材料结构与性能MerchantMarineCollege由于材料及其制品都是在一定的温度环境下使用的，在使用过程中，将对不同的温度作出反映，表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的热学性能。材料热学性能材料热学性能主要有热容、热膨胀、热传导、热稳定性等。莫来石轻质断热砖材料结构与性能MerchantMarineCollege材料的各种热性能的物理本质，均与晶格振动有关。材料是由晶体及非晶体组成的。晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产生热量。这种振动称为晶格热振动。由于热运动，各原子离开了它们的平衡位置，由于原子间的相互作用，有回到平衡位置的趋势。这两个矛盾相互作用的结果，使每个原子在平衡位置附近作微振动。材料各种热学性能的物理本质，均与其晶格热振动有关。材料热学性能的物理本质材料结构与性能MerchantMarineCollege材料热学性能研究的意义材料的组织结构发生变化时常伴随一定的热效应，因此，在研究热函与温度的关系中可以确定热容和潜热的变化。热性能分析已成为材料科学研究中重要手段之一，特别是对于确定临界点并判断材料的相变特征时有重要意义。材料结构与性能MerchantMarineCollege晶格热振动以格波的形式在材料内传播。材料中所有质点的晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种存在于晶格中的波叫做格波。格波是多频率振动的组合波。声频支振动如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此间的位相差不大，称为声频支振动。声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向。材料结构与性能MerchantMarineCollege光频支振动格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为光频支振动。光频支是不同原子相对振动引起的。若晶格中有N个分子，每个分子中有n个不同的原子，则该晶体中有N(n-1)个光频波。一维双原点阵中的格波(a)声频支；(b)光频支材料结构与性能MerchantMarineCollegenEn=nħ210晶格振动的能量及声子的概念量子理论的回顾材料结构与性能MerchantMarineCollege某一质点的能量为：（n为量子数）普朗克常数记为h，是一个物理常数，用以描述量子大小。在量子力学中占有重要的角色，马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v为辐射电磁波的频率，h为一常量，叫为普朗克常数。普朗克常数的值约为：h=6.6260693×10-34J·s材料结构与性能MerchantMarineCollege格波的能量同样也是量子化的，我们把声频支格波的量子（最小能量单位）叫声子。把格波的传播看成是声子的运动，就可以把格波与物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞，把格波在晶体中传播时遇到的散射看作是声子同晶体中质点的碰撞，把理想晶体中热阻（表征材料对热传导的阻隔能力）归结为声子-声子的碰撞。材料的热膨胀热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用热膨胀的物理本质什么是热膨胀？热膨胀系数热膨胀的物理本质热膨胀系数tlll01dtdlltt1lV3温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。平均线膨胀系数微分线膨胀系数体膨胀系数cbaVttt1t2各向同性各向异性dtdVVtV1部分材料的线性膨胀系数材料名称αl/10-6K-1温度范围AlTiCrFeNiCuWInvar合金6Ni-Fe铸铁黄铜SiAl2O3SiCSi3N4石英玻璃24.99.210.6016.717.117.185.190~210.5~1218.5~216.958.84.72.70.5303~573153~1133523~753303~1123693~12633731573293~373273~473293~573273~373273~1273273~1273273~1273273~1273某些无机材料的热膨胀系数与温度之间的关系无机材料的线膨胀系数一般都不大物理本质（作用力曲线解释）原子热振动是非线性的！温度升高，原子振动激烈。原子向右移动的幅度更大一些，导致振动中心右移。0K时，原子处在平衡位置。物理本质（势能曲线解释）势能曲线是不对称的！0K时，原子的势能最低。温度升高，原子的势能增加。势能曲线的不对称，使振动中心右移。材料热膨胀的本质:在于晶格点阵实际上在作非简谐振动，晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的，点阵能曲线也是非对称的。理想状态实际状态2.与其他物理性能的关系VKrCVV0VKrCVV0体膨胀与定容热容成正比，并且它们有相似依赖关系。1、与热容的关系KT/l格律乃森定律Al2O3的热容和膨胀系数随温度的变化金属的结合能越大，熔点越高，其膨胀系数越小。068.000CVVVTmTVm022.0lmT2、与结合能、熔点的关系对所有的纯金属/()maEb（a、b是常数）几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点3、与结构的关系对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系数的改变。ZrO2陶瓷的热膨胀曲线1000℃时单斜晶型四方晶型发生体积收缩4%4.与相变的关系一级二级3.影响热膨胀性能的因素相变的影响成分和组织的影响各向异性的影响相变的影响一级相变：体积突变，有相变潜热。二级相变：无体积突变和相变潜热；但膨胀系数和比热容有突变。直接用热膨胀实验分析用热膨胀实验可以研究二级相变二级相变同素异构体转变有序—无序转变温度变化时发生的晶型转变Fe：α相β相Cu-Au合金化学成分的影响固溶体的热膨胀系数略低于按直线规律计算的值。Cu–Au合金固溶体的膨胀系数020406080100rE/%αlCu–Au合金膨胀系数两相材料热膨胀系数计算值的比较多相合金体的膨胀系数主要取决于组成相的性质和数量内应力抑制了热膨胀4.热膨胀的测量光学膨胀仪电测试膨胀仪机械式膨胀仪光杠杆膨胀仪光干涉法电感式膨胀仪电容式膨胀仪千分表式膨胀仪杠杆式膨胀仪光杠杆式膨胀仪原理图光底片标准试样待测试样热膨胀测试仪（德国耐驰公司）测试原理：将样品放入炉体内，施一定温度程序，此时样品长度的变化通过推杆传递到左侧的检测单元，并由位移传感器测量得到结果。一、技术参数：1.升降温速率：0-50K/min2.测量范围：500／5000μm3.样品长度：最大50mm样品直径：最大12mm4.ΔL分辨率：0.125nm/1.25nm5.样品支架：石英支架（1100℃），氧化铝支架（1700℃），石墨支架（2000℃）二、主要特点：1.DIL提供多种类型的样品支架与炉体配置。2.提供各种配件使测试更灵活方便。3.提供速率控制烧结软件（RCS）。4.提供c-DTA功能，可通过图谱分析计算得到差热DTA曲线。三、应用领域：可测量固体、熔融金属、粉末、涂料等各类样品，广泛应用于无机陶瓷、金属材料、塑胶聚合物、建筑材料、涂层材料、耐火材料、复合材料等领域。德国耐驰DIL402C热膨胀仪热膨胀仪典型图谱5.热膨胀的工程应用1、热膨胀的工程意义陶瓷工业薄膜生长航天器的设计金属的表面改性施釉要求釉层的膨胀系数比坯体要小为什么？结合后面涉及到的热应力知识进行解释。烤瓷牙微机械（MENS）领域热膨胀在工程中的意义热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有重要意义。1)是决定材料抗热震性的主要因素。2)陶瓷坯上釉，二者α应匹配。釉α适当小于坯，烧结冷却过程中，釉层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小的太多也不行，会使釉层脱落。3)集成电路、电子管、特种灯生产中。4)复合材料制备。5)精密仪器仪表。材料的种类（依据热膨胀系数）高热膨胀材料零热膨胀材料负热膨胀材料金属材料、高分子材料，具有较高的弹性和塑性。形状记忆合金、智能材料、微型机械等合金材料、陶瓷材料航空航天、精密仪表等领域航空航天、光电子精密仪器制造等领域陶瓷材料2、热膨胀分析的应用膨胀分析对研究钢在加热、等温、连续冷却和回火过程中的转变非常有效。确定钢的组织转变点研究加热转变材料的热传导热传导的基本概念和定律物理机制魏德曼-弗兰兹定律影响因素热导率的测量1.基本概念和定律温度梯度、热导率（导热系数）、热扩散率（导温系数）、热阻；稳定传热过程、不稳定传热过程；傅里叶定律什么是热传导？固体材料在温度梯度的作用下，热量从热端自动传向冷端。材料的热传导稳定传热过程非稳定传热过程热量传递的几种途径：热传导、热辐射、热对流。热传导热对流热辐射热传导物质内部或相互接触的物质之间的传热方式，物质并不作相对运动，只是热运动能量借助格波或电子从高温区传向低温区。热传导是固体传热的主要方式。热对流是流体传热的主要方式。物体之间或流体内部，通过流体的相对流动，把能量从高温区带到低温区。热辐射任何具有一定温度的物体都在不停地向外部辐射电磁波，借助电磁波将能量从一个物体传送到另一个物体，这种传递热量的方式称为热辐射。在高温和真空条件下，物体不相互接触时，热辐射是传热的主要方式。几种基本的传热方式比较热辐射的特点可以不需要冷热物体的直接接触。即不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量。无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温。在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。物体热力学能电磁波能物体热力学能热传导的特点与机理1.导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移2.导热机理气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子运动。非导电固体：晶格结构的振动。液体：很复杂。表征物体温度变化的速率，越大的材料各处温度变化越快，温差越小，达到温度一致的时间越短。单位温度梯度下，单位时间通过单位截面积的热量。其倒数称为热阻率。热导率与热扩散率tSdxdTQ称为热导率热导率（导热系数）热扩散率（导温系数）pc22xTctTp热流密度反映了材料的导热能力。反映了材料上各点的温度随时间变化的快慢。傅里叶定律xTStQ当板材厚度为无限小时，有dxdTSdtdQ1822年，法国科学家傅里叶提出傅里叶定律：热流密度正比与温度梯度。注意：傅里叶定律只适用于稳态热传导。一些材料的导热系数比较一下传热学与电学中的一些物理量热导率电导率热流密度电流密度热阻电阻傅里叶定律欧姆定律温度梯度电势差2.热传导的物理机制（微观机制）气体传热的机理是什么？固体传热的机理是什么？热量依靠什么进行转移和传递？分子碰撞晶格振动（声子）自由电子运动格波声频支光频支晶格振动声子材料的传热机理分子导热机理电子导热机理声子导热机理光子导热机理气体金属、半导体金属、半导体、绝缘体固体高温条件下格波声频支光频支固体的传热声子热传导光子热传导自由电子热传导声频支光频支分子导热机理lCV31气体分子相互作用或碰撞引起的结果。自由电子导热机理lCV31自由电子间的相互作用或碰撞。金属中导热的主要机制低温下声子导热对金属的贡献将略有增大。自由电子导热与温度的关系金属导热系数的理论曲线λOT总的电子部分很低温度中等温度很高温度随温度线性呈线性变化不随温度变化而变化随温度增加略有减小声子和声子热导声子：晶格振动的“量子”h声子的运动：格波的传播过程热传导过程：声子从高浓度区到低浓度区的扩散过程。热阻：声子扩散过程中的各种散射。声子的能量：ppplc31jjjjlc31类似于气体热传导是分子碰撞的结果