.
17
晶体的非
固体材料的热膨胀机理 线形振动
产生线膨胀的原因不是简谐振动，而是因为原子间的 受力是不均衡的。质点在平衡位置两侧，受力不对称：
r<r0时。斜率大，稍 r>r0时。斜率较小， 微增大一点位移，斥 引力随位移的增大要
力变很大
慢些
.
18
热膨胀性能与其它性能的关系
a)热膨胀和结合能、熔点的关系： 结合能高，α也高
C p3R2(5 J/mo K )l
但轻元素原子热容需改用以下值
化合物定律--柯普定律
C niCi
.
7
杜隆-珀替定律
成功之处：
高温下与试验结果基本符合
.
8
杜隆-珀替定律
局限性： ➢ 不能说明高温下，不同温度下热容的微小 差别 ➢ 不能说明低温下，热容随温度的降低而减 小，在接近绝对零度时，热容按T的三次 方趋近与零的试验结果
C
t＝
Q T
T
.
3
热容的分类
比热容
摩尔热容
平均热容（注意适用温度范围）C均＝T2－QT1
恒压热容
Cp＝Q Tp
H Tp
恒容热容
Cv＝Q Tv
E Tv
.
4
无机材料的热容
一般有 Cp > Cv， Cp测定 简单，Cv更有理论意义。
.
5
无机材料的热容
.
6
晶态固体热容的经验定律
元素热容定律--杜隆-珀替定律
如：MgO、 BeO、 Al2O3、 MgAl2O4、BeAl2O4都具有 相当大的膨胀系数。
固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原 子振幅加大，原子间距离增加时，部分的被结构内部 空隙所容纳，宏观膨胀就小。
如：石英 12×10-6 /K ，石英玻璃0.5×10-6/K
.
26
晶体的各向异性膨胀(非等轴晶系)
✓ 无机材料有大致相同的比热曲线。
.
11
无机材料的热容规律
不同温度下某些陶瓷材料的热容
.
12
无机材料的热容规律
✓ 多相复合材料的热容约等于构成该复合材料的物质的 热容之和
C = giCi 式中， gi：材料中第i种组成的重量百分数， ci：材料中第i种组成的比热容。
✓ 相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。
✓ 其中：一级相变——Cp在相变温度突变；
二级相变——Cp在相变温度附近剧烈变化
.
13
无机材料的热容规律
根据热容选材： 材料升高一度，需吸收的热量不同。吸
收热量小，热损耗小，同一组成，质量不同 热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材 料，需使用轻质隔热砖，便于炉体迅速升温， 同时降低热量损耗。
.
14
晶格振动加剧
引起体积膨胀(l )
吸收能量 升高单位温度 =Cv
l 、 Cv与温度有相似的规律
比热容
l
T/oC
.
25
热膨胀与结构的关
• 结构紧密的固体，膨胀系数大，反之膨胀系数小对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动 导致膨胀系数较大，约在6～8×10-6/ 0C，升高到德拜 特征温度时，增加到 10～15×10-6/ 0C。
b)热膨胀与T、热容的关系： 温度高，αl大，热容有相似的规律
c)热膨胀与结构的关系 d)压力和应力对热膨胀的影响
.
19
膨胀系数和键强的关系
.
20
热膨胀性能与其它性能的关系
a)热膨胀和结合能、熔点的关系： 结合能高，热膨胀系数小。
b)热膨胀与T、热容的关系： 温度高，热膨胀系数大，热容有相似 的规律
各层间的结合力不同引起热膨胀不同。
.
27
多晶和复合材料的热膨胀
无机材料都是多晶体或由几种晶体和 玻璃相组成的复合体。
各向异性的多晶体或复合材料，由于 其中各部分的α有所不同，而在烧成后的 冷却过程中会产生内应力，而导致热膨胀。
.
28
陶瓷制品表面釉的膨胀
无限大的上釉陶瓷平板样品应力计算：
釉 ＝ E T 0 － T 釉 － 坯 1 － 3 j 6 j 2 坯 ＝ E T 0 － T 坯 － 釉 1 － 3 j 6 j 2
定义
在材料中热量由高温区域向低 温区域传递的现象就称为热传导。 其能力用热导率(Thermalconductivity） λ来衡量。
5.5
尖晶石
7.6 熔融石英玻璃
0.5
莫来石
5.3 窗玻璃
9.0
ZrO2
4.2 堇青石瓷
.
1.1-2.0
22
纯金属的平均线膨胀系数×10-6 （0—100 0C）
.
23
热膨胀与结合能、熔点的关
结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度， 质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。
.
24
热膨胀与温度、热容的关系
.
29
热膨胀性质的应用
1.陶瓷材料的坯、釉适应性： α釉略小于α坯， 制品强度高 如果：α釉>α坯， 釉裂 如果：α釉《α坯， 釉层剥落
.
30
热膨胀性质的应用
2. 陶瓷材料与其他材料复合： 例如：电子管中，陶瓷与金属封接等。 要求：1、陶瓷与焊料结合能； 2、与金属热膨胀系数接近。
.
31
无机材料的热传导
无机材料的热膨胀
热膨胀系数
线膨胀系数：
l l0
lT
体膨胀系数：
V V0
VT
线膨胀系数与体膨胀系数的关系:
v 3l
.
15
无机材料的热膨胀
某些无机材料热膨胀.系数与温度的关系 16
固体材料的热膨胀机理
前面我们用原子的间谐振动解释了固体 的比热问题，但晶体的另一些热学性能如热 膨胀、热传导则不能用间谐振动来解释，必 须考虑非间谐振动。
第三章
无机材料热学性能
.
1
无机材料的晶格热振动
材料的各种热性能的物理本质，均 与晶格热震动有关。
晶体点阵中的质点（原子、离子） 总是围着衡位置作微小震动，称为晶格 热震动。
内部各质点热运动动能之和，称为 物体的热量。
.
2
无机材料的热容
热容定义
热容是使材料温度升高1k所需的能量， 它反映材料从周围环境中吸收热量的能 力，不同温度下，热容不同
c)热膨胀与结构的关系 d)相变对热膨胀的影响
.
21
无机材料的平均热膨胀系数
材料 金刚石
线膨胀系数 材 料 1/oC×106 (0－1000)oC
～3.1 SiC
线膨胀系数 1/oC×106 (0－1000)oC
4.7
BeO
9.0 TiC
7.4
MgO
13.5 SiO2
12
ZrO2（稳定化）
10.0 粘土耐火材料
.
9
德拜模型
热容的量子理论
当温度较高时，T >> θD，Cv = 3Nk=25J/mol.K
当温度很低时，T << θD，有：
cv
1254NkTD
3
即：CP与T对的立方成比例，与实验结果相吻合
.
10
无机材料的热容规律
✓ 不同材料θD不同，θD取决于材料的键 强
度，弹性模量和熔点。德拜温度约为熔点 的0.2—0.5倍。