材料物理性能-热1
1.热传导宏观规律和微观机制
1)傅里叶定律 热传导:一块材料温度不均匀或两个温度 不同的物体相互接触,热量便会自动的从高 温度区向低温dT kgradT dx
k:热导率(导热系数) W/(mk)—单位面积上的热量正比于温度 梯度,其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。
E
2
实验表明:在低温时,热容和T3成正比,上式比实验值更快的趋于0.
2.1 材料的热容
3) 德拜热容模型:
模型:晶体中各原子 间存在弹性斥力和引力, 这种力使原子的热振动相 互受牵连和制约,相邻原 子间协调齐步地振动。
2.1 材料的热容
3) 德拜热容模型:
CV ,m exp 2 kT E 3N A k 2 T V kT exp 1 kT
用途和应用领域
• 微处理器的盖和散热 片:
第2章 材料的热性能
2.1 材料的热容 2.2 材料的热膨胀 2.3 材料的热传导 2.4 材料的热电效应
2.1 材料的热容
1.固体热容理论简介
热容(Heat capacity):一定量的物质在一定条件下温度升高1K所需要 的热,是用以衡量物质所包含的热量的物理量,用符号C 表示,单位 是J· K-1。 定压热容和定容热容: 等压条件下的热容称定压热容,用符号Cp表示; 等容条件下的热容称定容热容,用符号CV表示。
1.固体热容理论简介
1)杜隆-珀替定律:
气体分子的热容理论用于固体,用经典的统计力学处理,晶体有 N个原子,总的平均级能量3NkBT, N=NA, 摩尔热容为:
U 1 1 CV ,m 3 N k 3 R 24.91 J mol K A B T V
( ) 为频率态密度
CV ,m exp m kT E ( )d 0 k 2 T V kT exp 1 kT
2
2.1 材料的热容
3) 德拜热容模型:
CV ,m 3R[12( T
D
)3 T
0
D
3 3d T ] exp 1 exp( D ) 1 T
kT
D
m D 为德拜特征温度, 式中, D k
• 当 T D
CV,m 3R
当 T D
CV,m
12 4 T 3 R( ) 5 D
比热容: 1千克物质的热容,用c表示,单位是J· kg-1· K-1。 摩尔热容: 1摩尔物质的热容,用Cm表示,单位是J· mol-1· K-1。
对于固体和液体来说,Cp和CV近似相等,但是在要求较高的计算中不能忽略。 对于理想气体来说,Cp,m − CV,m = R,其中R是理想气体常数
2.1 材料的热容
3)影响热膨胀系的因素: d) 铁磁性合金的铁磁转变
出现反常的原因:磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。
e) 加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。
2.2 材料的热膨胀
可伐合金,英文:KOVAR Fe-Ni(29%wt)-Co(17%wt)
因瓦合金,英文:INVAR Fe-Ni(36%wt)
2.3 材料的导热性
U(r)=U(r0)+cx2-gx3
根据玻尔兹曼分布:可以算出
2.2 材料的热膨胀
2. 膨胀系数
1 )概念:用来描述温度变化时材料发生膨胀或 收缩程度的物理量为al
平均线膨胀系数: 平均体膨胀系数: 对于立方晶系:
2.2 材料的热膨胀
例:一个篮球场,篮球框由一个金属支承系统挂于天花板上, 21度下篮框高出地板 3.048m, 自地板起,天花板高15.25m, 在一场比赛中,温度可升高 15度,设悬持系统的热学性质 可用单根缆绳模拟。用铝和钨哪一种制造该系统?( aAl: 25×10-6℃ , W:4.5 ×10-6℃ )
在质点平衡位臵r0两侧: r<r0 斜率大,斥力随位移增大很快; r>r0 斜率小,引力随位移增加慢。 因此,在一定温度下,平衡位臵不在 ro 处,而 是向右偏移,温度高,则偏移大;导致宏观上 晶体膨胀。
2.2 材料的热膨胀
2)两原子模型: 由于热运动,两个原子运动 以一个为参照物,另一个偏离平 衡位臵x, r=r0+x U=U(r)=
热容是一个固定不变的与温度无关的物理量,只用于除Si, C, B 以外的一部分单原子金属。
2.1 材料的热容
2)爱因斯坦热容模型: 前提:晶格中每个分子独立地振动,振动的频率为 v, 把原子的振动视为谐振子,谐振子具有 0 点能,谐振子的 能量为: 1 En n 2
En为频率为v的谐振子振动能,n为声子量子数,取 0,1,2,3… 具有能量为En的谐振子数目为:
exp(
En n ) exp( ) kT kT
2.1 材料的热容
2)爱因斯坦热容模型:
温度为T,振动频率为v的谐振子平均能量为:
n n exp kT 0 n exp exp 1 kT kT 0
第1章 绪论
• 物理性能:电,介电,热,光,磁,弹性和内耗 • 力学性能:强度 耐压 抗折 韧性 刚性 • 化学性能:抗氧化性能 耐腐蚀性能 抗酸、抗碱
• 工艺性能:可塑性、流动性等
• 使用性能:耐磨性等
第1章 绪论
意义:
1. 制造和发展功能材料的基础 2. 对要求综合性能的结构材料而言,物理性能也是极为重要的。 (航天飞机,热障涂层) 3. 利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一个重要的 研究方法。 4. 非组织敏感:弹性模量,热膨胀系数,居里点(成分) 组织敏感性:内耗,电阻率,磁导率(成分及组织), 研究与组 织的关系,为合理制定生产工艺提供规律性的指导 5. 为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能
参考教材
• 《材料物理性能》,田莳编著,北京航空航天大学出版社, 2004年。 • 《材料物理性能》,邱成军主编,哈尔滨工业大学出版社, 2007年。 • 《材料物理性能》,郑冀等编著,天津大学出版社,2008 年。
• 《材料的性能》,赵新兵等著,高等教育出版社,2006年。
第1章 绪论
• 材料(material):材料是人类用于制造物品、器件、构 件、机器或其他产品的那些物质。
在较高温度下,固体的摩尔热 容等于构成化合物各元素原子 热容的总和
对于复相:
2.1 材料的热容
4.相变对热容的影响
对于一级相变:在相变点, 热容发生突变,热容为无限 大,有体积效应及热效应 对于二级相变:比热也有变 化,但为有限值,无体积效 应及热效应
2.2 材料的热膨胀
1.热膨胀本质
1 )唯象解释:热膨胀的本质为点阵结构中的质 点间平均距离随温度的升高而增大。
m 2.8 10
12
Ts AV 2 / 3
林德曼公式
Ts D 137 AV 2 / 3
A:相对原子质量,V:原子体积,Ts熔点
D 越高,其结合力越大 物理意义:反映原子结合力物理量,
2.1 材料的热容
3) 合金的热容 对于金属间化合物:近似有: C=pC1+qC2 p, q为化合物中分子各组成原子的百分数。 Neumann-Kopp
2
讨论: (1) 晶体处于较高温度时,kT>>hv, hv/kT<<1, 爱因斯坦函数趋向于1,此时: CV,m=3R=24.91J/mol/k, 与杜隆-珀替定律是一致的,在温度较高时,比较准 确。 (2)温度很低时,hv>>kT,则有:
CV ,m
E 3N Ak exp T T
2.1 材料的热容
2.金属和合金的热容
1) 金属的热容 Ⅰ区 Cm∝T Ⅱ区 Cm∝T3 Ⅲ区 Cm>3R
对于金属:其载流子主要是声 子和电子。低温时有:
Cm C C AT BT
A m e m 3
2.1 材料的热容
2) 德拜温度
是反映固体的许多特性的重要标志。 在熔点时,原子振幅达到使晶格破坏的数值, m 和熔点Ts有:
一摩尔晶体有NA个原子,每个原子有3个自由度,共有3 NA 个自由度,每个自 由度相当于有一个谐振子在振动:晶体振动的平均能量为:
E 3N A 3N A
exp 1 kT
2.1 材料的热容
2)爱因斯坦热容模型:
由等容热容定义得:
CV ,m
exp kT E 3Rf E E / T 3N A k 2 T V kT exp 1 kT
对于多相混合组织,固溶体或化合物也有相同的规律:
AB B A Cp Ca C p (1 Ca )C p
Ca为组元B在固溶体中的原子浓度 改变合金组织的热处理实际上不影响高温下的热容。 低温下奈曼-柯普定律不再适用。
2.1 材料的热容
3.无机材料的热容
气孔率的影响:多孔材料因质 量轻,热容小,所需的热量要 小于耐热材料。加热窑多用硅 藻土,泡沫刚玉等。
• 20世纪70年:信息、材料和能源 (文明的三大支柱)
• 80年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材料、信 息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
• 分类:金属材料,无机非金属材料,高分子材料 • 结构材料与功能材料
第1章 绪论
• 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为 的参量。 • 材料使用中表现有多少行为,就对应有多少性能。外界条 件不同,相同的材料也会有不同的性能。多数的性能都有 量纲。为了便于学习、测试和研究,常采用不同的标准来 划分性能