材料的热学性能课件.ppt

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1、作业试比较金属与无机非金属材料的可塑性差异并解释其原因。P62第22题P62第26题试论述材料热膨胀的微观机制。晶体产生双折射现象有什么条件？第4章材料的热学性质材料热学性质的本质材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性、熔化和升华等;材料的热学性能的本质，均与晶格热振动有关;晶格热振动晶体点阵中的质点等总是围绕着平衡位置作微波振动，晶格热振动是三维的，可以根据空间力系将其分解成三个方向的线性振动。各质点热运动的动能的总和，即为该物体的热量，即4.1热容4.1.1热容的概念热容是分子热运动

2、随温度而变化的一个物理量。热容是物质温度上升1K所需要增加的能量。温度T时，热容比热容：1克物质的热容J/(k.g)恒压热容Cp大于恒容热容Cv恒压热容Cp大于恒容热容CvQ为热量，E为内能，H为焓。4.1.2德拜的比热模型fD为德拜热容函数，θD=hvmax/k称为德拜温度，则德拜热容的表达式（1）当晶体处于较高温度时，德拜热容函数（2）当晶体处于低温时，T远小于θD,取θD/T→∞，则：4.1.3无机材料的热容1）无机材料的热容与材料结构的关系不大，但单位体积的热容却与气孔率有关。多孔材料因为

3、质量轻，所以热容小，因此提高轻质隔热砖的温度所需要的热量远小于致密的耐火砖（如窑炉用硅藻土砖，泡沫刚玉等）2）较高温度下固体的摩尔热容大约等于构成该化合物各元素原子热容的总和其中ni为元素i的摩尔分数。4.2无机材料的热膨胀4.2.1热膨胀系数物体体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀系数之线膨胀系数：对于立方晶系等均质晶体，各方向的膨胀系数相同。体膨胀系数：对于各向异性晶体：4.2无机材料的热膨胀在多晶多相无机材料以及复合材料中，由于各相及各方向的热膨胀系数不同所引起的热应力问题是选

4、材用材的突出矛盾。一般而言，材料的热膨胀系数小，则材料的热稳定性也越好。Si3N4的αT=2.7×10-6K,热稳定性好。4.2.2固体材料的热膨胀机理1）固体材料热膨胀的本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。2）晶格振动中相邻质点间的作用力是非线性的。3）斥力随位移增大的速度大过引力4）随升温时振幅增大，质点的平均位置向远离相邻质点的方向移动，意味着质点间的距离增大。(p73图2-6)4.2.3热膨胀系数与其它物理量的关系1）格临爱森从晶格振动理论导出金属膨胀系数与热容的关系

5、：r….格临爱森常数，K….体弹性模量，V….体积，CV….比热。2）纯金属从0K时升温，体积膨胀不超过6%，3）物质熔点越低，则膨胀系数越大。部分物质的膨胀系数熔点的关系单质材料熔点（℃）α(×10-6)金刚石35002.5硅14153.5锡2325.34.2.3热膨胀系数与其它物理量的关系4)金属的硬度愈高，膨胀系数愈小5）对于相同组成的物质，结构紧密的晶体，膨胀系数较大6）空位引起晶体附加体积，引起膨胀系数增加。7）晶体在临近熔化前，热缺陷增多，引起膨胀系数增加。晶体各向异性引起膨胀系数各向

6、异性，弹性模量小的方向有大的热膨胀系数。4.2.4多晶和复合材料的热膨胀1）多晶和复合材料中各相α不同，在烧结后的冷却过程中产生内应力引起热膨胀。2）多晶转变→体积不均匀变化→α不均匀变化。3）不同方向膨胀差太大时，会因内应力而使坯体产生裂纹，再加热时，该裂纹趋向于消失，微裂纹多见于晶界，晶体长大→应力发展→裂纹。4）釉的膨胀系数适当地小于坯体，制品的力学强度提高。因为降温时产生的压应力可提高力学强度。5）陶瓷坯体吸湿→体积膨胀→降低釉层的压应力→釉层龟裂。4.3材料的热传导陶瓷材料中有些是优良的

7、绝热体，有些是热的良导体4.3.1固体热传导的宏观规律1）简化的傅利叶导热定律：设t为时间；T为温度（K）,λ为热导率；d为材料密度，Cp为定压比容。α为热扩散率，亦称导温系数。热流密度q正比于温度梯度（稳态传热，各点温度不随时间变化）2）热扩散和热阻热扩散率α它的物理意义是与不稳定导热过程相联系的。热阻R其中Ф为热流量。1/R为热导。4.3.2材料热传导的微观机制1）晶格振动以弹性波的形式，在固体内部通过晶格振动的相互影响而传播，我们称之为晶格波（或点阵波），晶格波是多频率振动的组合波。2）晶格

8、波的能量是量子化的。对于晶格波中频率很小的波，其能量称为声子，声子是点阵波能量的最小单位。晶格波的能量必然是单个声子能量的整数倍。声子能量与晶格波频率ν有关，3）对于晶格波中频率很高的振动，其频率达到红外光区，称其为光频支振动，光频支振动可以吸收发射红外光4）固体中分子、原子和电子的振动、转动状态的改变会辐射出频率较高的电磁波，其波长在红外光波段，这种辐射在低温时不明显，在高温时显著。5）固体材料在低温和常温时的热传导主要是声子传导，但对金属材料，则还有自由电子传导，且金属中自由电