无机材料的热学性能-第1讲ppt课件.ppt

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1、无机材料的热学性能热学性能的应用热学性能的物理基础热容热膨胀热传导热稳定性我们主要关心的热学性能是：热容：改变温度水平所需的热量热膨胀系数：温度变化1℃时体积或线尺寸的相对变化热导率：每单位温度梯度时通过物体所传导热量热稳定性：承受温度的急剧变化而不致破坏的能力材料及其制品都在一定的温度环境下使用，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，这些热物理性能就称为材料的热学性能。热学性能的应用热处理时，热容和热导率决定了陶瓷体中温度变化的速率，是决定抗热应力的基础，同时也决定操作温度和温度梯度。用作隔热材料时，低的热

2、导率是必需的性能。陶瓷体或组织中的不同组分由于温度变化而产生不均匀膨胀，能够引起相当大的应力。在研制合适的涂层、釉和搪瓷以及将陶瓷和其他材料结合使用时所发生的最常见的困难是起因于温度所引起的尺寸变化。一、在陶瓷制备和使用中的应用二、在保温材料中的应用据推算，我国各类窑炉和输热管道，由于保温不善，每年的热损失折合标煤约为3000～4000万吨。若能使热减少15～20%，就可节约标煤600～800万吨，而保温材料节能技术关键点如下：保温材料的优选和保温材料结构的优化设计：关键热性能参数是材料的导热系数，要求最小λ（热导率）值时相对应的最

3、佳容重和最佳内部结构。三、在电子技术和计算机技术中的应用在超大规模集成电路中，要求集成块的基底材料导热性能优良，以免集成块温度骤增，热噪声增大。关键是寻找出既能绝缘，又具有高导热系数的材料。日本已发明了一种高导热性的特种碳化硅陶瓷，其导热系数比一般碳化硅高一个数量级，比氧化铝高14倍，且热膨胀性能与半导体硅相匹配。彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部的有机绝缘片，为了散热而要求具有良好的热导性。3.1热学性能的物理基础热容热膨胀热传导热稳定性升华熔化晶格热振动热性能的物理本质:晶格热振动1、热性能的物理本质晶格热振动是非简谐振

4、动；晶格热振动是三维的；晶格热振动是诸质点的集体振动。晶格热振动：固体材料是由构成材料的质点（原子、离子）按一定晶格点阵排列堆积而成，一定温度下，点阵中的质点总是围绕其平衡位置作微小的振动，称为晶格热振动。（动能）i=热量各质点热运动时动能总和就是该物体的热量!2、晶格热振动的定义及特点3、简谐振动简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比、方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动；或物体的运动参量（位移、速度、加速度）随时间按正弦或余弦规律变化的振动。式中：X为位移；A为振幅，即质点离开平衡位置时(x=0)的最大位移绝对值；t

5、为时间；T为简谐振动的周期；为简谐振动的位相。r斥力引力ro合力rF简谐振动F-r线性非简谐振动F-r非线性原子间力与原子间距关系(F-r)图4、原子的简谐振动和非简谐振动温度↑，振幅和振动频率↑，质点的平衡位置改变，相邻间质点平均距离↑，表现出非简谐振动的特点。5、一维单原子晶格的线性振动方程+牛顿第二定律：F=d(mv)/dt（牛顿发表的原始公式）式中：m—每个质点的质量；β—微观弹性模量，与质点间作用力性质有关的常数。对于每个质点，β不同即每个质点在热振动时都有一定的频率。材料内有N个质点，就有N个频率的振动组合一起。材料质点

6、间有很强的相互作用力，一个质点的振动会使邻近质点随之振动。相邻质点间的振动存在一定的位相差，每个质点振动可以看成以弹性波的形式在晶格中传播，称为格波。6、格波声频支格波：反映各晶胞间的相对运动，是以晶胞整体进行振动的单位。能量小，频率低（声频范围,<1.5×1013Hz），以声波的形式出现的驻波。质点彼此之间的位相差不大，相邻质点振动方向相同。晶体中的振子的振动频率不止一个，而是一个频谱，振子是以不同频率的格波叠加起来的合波进行运动。光频支格波：反映原胞内各原子间的相对振动，能量大，频率高（红外光区），振动时原胞的质量中心保持不动，

7、只是不同原子的相对振动。质点彼此之间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反。固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现！热容：物体温度升高1K所需要增加的能量，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。（J/K）比热容（质量热容）—J/K·g摩尔热容—J/K·mol热容单位：对于一定的材料，质量不同热容不同，温度不同热容也不同。1、热容的基本概念及分类3.2无机材料的热容恒压热容：加热过程在恒压下进行恒容热容：加热过程在恒容下进行T1-T2范围愈大，精度愈差平均热容:Q：热量E：内能H（=E+pV)：焓气体材料：T↑，体积膨胀，对

8、外界做功，吸收Q↑因此：恒压加热过程：热力学第二定律：体膨胀系数V0：摩尔容积：压缩系数固体或液体：T↑，体积变化小，因此：高温时，固体或液体的Cp与Cv的差别较大！2、固体的经典热容理论（1）元素的热容定律——杜隆一珀替定律恒压