材料的热学doc资料.ppt

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1、材料的热学材料热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,集成电路基片等导热系数(λ)、比热(Cv或Cp)、热扩散系数(a)、热发射率(ε)、热膨胀系数(α)和粘度(η)等是热计算和热设计的关键参数，也是研制、评价和优选所用隔热和防热材料的主要技术依据。如：空间飞行时飞行器的头部是承受最高温度和最大热流的部位，其表面温度最高可达5000℃，解决此“热障”的方法有：辐射防热、烧蚀(发汗)防热、吸收(热沉)防热温控涂层。取决于防热系统材料的热性

2、能。辐射防热：利用材料表面的热辐射性能的特殊防热方式，要求材料表面热发射率高，关键参数是：材料表面的热发射率。吸收防热：利用材料本身的具有较大的比热容和导热系数，以便将热量尽多地吸收或导出。关键性能参数：材料的比热容和导热系数。烧蚀防热：要求协调各方面的性能参数，如：高的热发射率，以便让头部表面散失更多的热量；尽可能高的热容和尽可低的导温系数，以让头部吸收更多的热量而又不至于升温过快；尽可能小的导热系数，头部表面的热量就难以传递到内壁；头部材料与基体材料之间的热应力尽可能小，两者间的膨胀系数尽可能地匹配。温控涂层：解决飞行器工作室中温度差过大的不足，使其能正常工作。其原理主要是通过涂层的热辐射

3、性能来调节实现。基本概念（1）固体材料由晶体或非晶体组成，晶体点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置作微小振动，这种振动称为晶格热振动。向固体提供热量，原子平均热能增加，其中：约一半热能用于提高原子的势能，另一半热能提高动能，即振动原子振动与温度：温度不高：原子在格点平衡位置附近微小振动温度升高：部分原子离开平衡位置，产生扩散温度再高：绝大多数原子做剧烈运动，破坏周期性，固体熔化我们的重点在温度不高的情况下基本概念（2）晶格振动：原子在平衡位置附近的振动，产生振动波格波：晶格振动以波的形式在具体中传播声子：晶格振动的能量是量子化的，用声子描述声子在固体中传播，能量Eph与原子振动的波长λ

4、有关系：Eph=hc/λ=hνν是振动频率原子的这种振动使固体材料表现出热容、热膨胀、热传导等性能，是理解材料热学性能的基础原子的振动很复杂，处理方法是把复杂的振动分解为若干独立振动模式的叠加热容与晶格振动的简谐项有关热膨胀和热传导与晶格振动的非简谐项有关2.1.1晶格的热振动材料的各种热性能的物理本质，均与晶格热振动有关晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着平衡位置作微小振动，称为晶格热振动晶格热振动→格波（声频、光频）格波：晶格振动所形成的弹性波（质点间存在相互作用力导致多频率振动的组合波）声频支振动：相邻质点间位相差不大，类似于弹性体中的应变波。低频率的格波。光频支振动：格波中频率甚高的

5、振动波。（频率在红外光区，特点是临近质点的运动几乎相反)2.1.2固体的热容材料从周围环境中吸收热量的行为，数值上为使材料升高一个温度单位所需的能量在热力学中（晶格热振动）晶格热容固体的热容(电子的热运动)电子热容热容的基本概念热容定义: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。热容是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量。材料在温度上升或下降时要吸热或放热。热容的分类比热容：单位质量的热容物体的质量不同，热容不同平均热容某一温度下的热容称为真热容。（因为热容是随温度而变化的）平均热容是指物质从温度T1到T2所吸

6、收的热量的平均值：摩尔热容摩尔物质的热容物体的热容还与它的热过程有关恒压热容加热过程是恒压条件下进行时所测定的热容。恒容热容加热过程中保持物体容积不变时所测定的热容。恒压热容与恒容热容的比较（1）由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界做功，所以温度每提高lK需要吸收更多的热量，即Cp>Cv。（2）Cp的测定比较简单，但Cv更有理论意义，因为它可以直接从系统的能量增量计算。热容Cp与Cv的关系式中：为体膨胀系数，为压缩系数金属材料热容的实验规律高温区：CV→3R=24.91J/(mol.K);低温区:CV→∝T3;T→0K时,CV→0.金刚石热容的实验值金刚石热容的实验值与计算值的比较

7、，其中E=1320k无机材料的热容规律在低温条件下:Cv∝T3，在高温时，Cv变化很小，接近常数3R，不同温度下某些陶瓷材料的热容2.1.3热容的经典理论由晶格振动理论，一个摩尔固体中有N个原子，总能量为E=3NkT=3RT式中N—阿佛加德罗常数；T—绝对温度(‘K)；k—波尔茨曼常数；R＝8.314(J/k·mol)—气体普适常数。按热容的定义，有:Cv=(dE/dT)v=3NkB=3R=24