材料物理性能總結

1、LOGO材料力學性能1 材料的靜拉伸力學性能1.11.1、 拉伸試件的形狀和尺寸拉伸試件的形狀和尺寸試件的標距長度試件的標距長度l l0 0比直徑比直徑d d0 0要大得多；通常，要大得多；通常，l l0 0=5d=5d0 0（短試樣）或（短試樣）或l l0 0=10d=10d0 0（長試樣）（長試樣）試 件 的 標 距 長 度試 件 的 標 距 長 度 l l0 0應 滿 足 下 列 關 系 式 ：應 滿 足 下 列 關 系 式 ：l l0 0=5.65A=5.65A0 01/21/2或或11.3A11.3A0 0 1/21/21.21.2、力、力伸長曲線伸長曲線 工程應力一工程應變曲線工程

2、應力一工程應變曲線 真實應力應變曲線真實應力應變曲線LOGO性能指標屈服強度屈服強度 s s抗拉強度抗拉強度 b b延伸率延伸率 斷面收縮率斷面收縮率比例極限比例極限p p 彈性比功彈性比功 W We e彈性極限彈性極限e e 斷裂強度斷裂強度E E LOGOv比模數(shù)/比剛度v屈強比v頸縮條件：n=ev塑性斷裂、脆性斷裂類型v穿晶斷裂、沿晶斷裂、解理斷裂、沿微孔穿晶斷裂、沿晶斷裂、解理斷裂、沿微孔聚合型斷裂聚合型斷裂v斷口特征：塑性斷口、脆性斷口性能指標LOGO1.3 非理想彈性v 1.3.1 1.3.1 滯彈性：滯彈性：v 1 1）正彈性后效，快速加載）正彈性后效，快速加載- -彈性蠕變。彈

3、性蠕變。( (變形隨著時間而延長的現(xiàn)象）變形隨著時間而延長的現(xiàn)象）v 2 2）負彈性后效，快速卸載）負彈性后效，快速卸載- -反彈性后效。反彈性后效。v 1.3.2 1.3.2 粘彈性：粘彈性：v 1 1）應力松弛：恒應變條件下，應力隨時間逐漸下降的現(xiàn)象。）應力松弛：恒應變條件下，應力隨時間逐漸下降的現(xiàn)象。v 2 2）在恒應力條件下，應變隨時間延長發(fā)生蠕變。）在恒應力條件下，應變隨時間延長發(fā)生蠕變。v 1.3.3 1.3.3 偽彈性：偽彈性：v 在一定的溫度條件下，應力達到一定水平之后，金屬和合金誘發(fā)相變，使得在一定的溫度條件下，應力達到一定水平之后，金屬和合金誘發(fā)相變，使得材料伴隨應力產(chǎn)生大

4、量彈性變形的現(xiàn)象。材料伴隨應力產(chǎn)生大量彈性變形的現(xiàn)象。v 應用，形狀記憶合金。應用，形狀記憶合金。v 1.3.4 1.3.4 包申格效應包申格效應v 產(chǎn)生了少量塑性變形的材料，再同向加載則彈性極限與屈服強度升高；反向產(chǎn)生了少量塑性變形的材料，再同向加載則彈性極限與屈服強度升高；反向加載則彈性極限與屈服強度降低的現(xiàn)象。加載則彈性極限與屈服強度降低的現(xiàn)象。LOGO2.2.材料在其他靜加載下的力學性能材料在其他靜加載下的力學性能v 2.12.1應力狀態(tài)軟性系數(shù)：最大切應力應力狀態(tài)軟性系數(shù)：最大切應力maxmax與最大正應力與最大正應力S Smaxmax之比，即之比，即=maxmax/S/Smaxma

5、x v 值愈大，應力狀態(tài)愈值愈大，應力狀態(tài)愈“柔柔”，愈易變形而較不易開裂，愈易變形而較不易開裂，即愈易處于韌性狀態(tài)。即愈易處于韌性狀態(tài)。v 值愈小，則相反，愈易傾向脆性斷裂。值愈小，則相反，愈易傾向脆性斷裂。v 2.22.2對于金屬材料，特別是鋼鐵材料，結構鋼常溫下的力對于金屬材料，特別是鋼鐵材料，結構鋼常溫下的力學性能由拉伸試驗評定；工具鋼常溫下的力學性能由彎曲學性能由拉伸試驗評定；工具鋼常溫下的力學性能由彎曲試驗評定。試驗評定。v 單向壓縮時應力狀態(tài)的柔度系數(shù)大，故用于測定脆性材料單向壓縮時應力狀態(tài)的柔度系數(shù)大，故用于測定脆性材料v 2.3 2.3 缺口試樣靜載力學性能：缺口效應、缺口敏

6、感度缺口試樣靜載力學性能：缺口效應、缺口敏感度v 2.4 2.4 硬度硬度LOGOv3.1 一次沖擊實驗-沖擊韌性： aK=Ak/Fnv 多次沖擊實驗-多沖抗力規(guī)律v （1）A較高時，取決于塑性，v A較低時，取決于強度v （2）不同的沖擊能量要求不同的強度 和塑性配合v （3）akv對沖斷抗力的影響v3.2 低溫脆性低溫脆性v 沖擊吸收功-溫度曲線3 3 材料的沖擊韌性和低溫脆性材料的沖擊韌性和低溫脆性LOGO格波：格波：晶格中的所有原子以相同頻率振動而形成的波，或晶格中的所有原子以相同頻率振動而形成的波，或某一個原子在平衡位置附近的振動是以波的形式在晶體中某一個原子在平衡位置附近的振動是以

7、波的形式在晶體中傳播形成的波。傳播形成的波。 格波格波nn+2n-1n+1n-22 /q= 格波的特點格波的特點： 晶格中原子的振動；晶格中原子的振動； 相鄰原子間存在固定的位相。相鄰原子間存在固定的位相。2、格波與一般連續(xù)介質(zhì)波的異同點？格波特點：晶格中原子的振動；相鄰原子間存在固定的位相。格波與一般連續(xù)介質(zhì)波相比較，相同點：振動方程形式類似。區(qū)別：1）連續(xù)介質(zhì)波中x表示空間任意一點，而格波只取呈周期性排列的格點位置；2）一個格波解表示所有原子同時做頻率為w的振動，不同原子間有位相差，相鄰原子間位相差為aq；3）二者的重要區(qū)別在于波矢的涵義，同一振動狀態(tài)對應多個波矢，或多個波矢為同一振動狀態(tài)

8、。1熱性能的物理基礎熱性能的物理基礎1.11.1晶格熱振動晶格熱振動LOGO1.2 低頻率格波低頻率格波:頻率低、質(zhì)點間位相差不大頻率低、質(zhì)點間位相差不大 聲頻支（類似彈性體中的應變波）聲頻支（類似彈性體中的應變波） 高頻率格波高頻率格波:頻率高、質(zhì)點間位相差很大頻率高、質(zhì)點間位相差很大 光頻支（鄰近質(zhì)點的運動幾乎相反）光頻支（鄰近質(zhì)點的運動幾乎相反）3、聲學波和光學波的區(qū)別？LOGO 熱容熱容: 材料在溫度變化時且無相變及化學反應條件下，材料在溫度變化時且無相變及化學反應條件下，溫度升高溫度升高1K所吸收的熱量。單位：所吸收的熱量。單位：J/K。 比熱容、質(zhì)量熱容、摩爾熱容、平均比熱容、比熱

9、容、質(zhì)量熱容、摩爾熱容、平均比熱容、 定壓熱容、定容熱容定壓熱容、定容熱容 （1） 與與 均是溫度的函數(shù)均是溫度的函數(shù)（2）（3） 實驗上測定方便，但實驗上測定方便，但 理論上更有意義。理論上更有意義。PVCCPCVCPCVC2 2、熱容、熱容LOGO2.1熱容理論熱容理論u假設條件：能量按自由度均分原則假設條件：能量按自由度均分原則：1)在平衡狀態(tài)下，在平衡狀態(tài)下，氣體、液體和固體分子的任何一種運動形式的每一個自氣體、液體和固體分子的任何一種運動形式的每一個自由度的平均動能都是由度的平均動能都是kT/2 。其中。其中k是波爾茲曼常數(shù)，是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。是絕對溫度。2)固體中原子具

10、有三個自由度，其平均動固體中原子具有三個自由度，其平均動能為能為3kT/2。3)固體中振動著的原子的動能與勢能周期性固體中振動著的原子的動能與勢能周期性變化，其平均動能和平均勢能相等，所以一個原子平均變化，其平均動能和平均勢能相等，所以一個原子平均能量為能量為3kT。4）一摩爾固體的能量：）一摩爾固體的能量：E=N03kT= 3RT 其中其中N0為阿伏伽德羅常數(shù)，為阿伏伽德羅常數(shù)，R為氣體常數(shù)。為氣體常數(shù)。5）所以固體摩爾熱容）所以固體摩爾熱容即杜隆珀替定律。即杜隆珀替定律。LOGOl 由上圖可見由上圖可見低溫下固體的摩爾熱容與低溫下固體的摩爾熱容與3R有很多的偏離。有很多的偏離。原原因是由于

11、因是由于用氣體分子運動的模型處理固體的熱容過于簡單用氣體分子運動的模型處理固體的熱容過于簡單。l 模型認為質(zhì)點的能量是可以連續(xù)變化的，而實際上固體中模型認為質(zhì)點的能量是可以連續(xù)變化的，而實際上固體中原子振動的能量是量子化的，必須考慮量子效應。原子振動的能量是量子化的，必須考慮量子效應。l 實際上，溫度對材料的實際上，溫度對材料的熱容有影響。熱容有影響。l 而杜隆而杜隆-珀替定律認為與珀替定律認為與溫度無關，與實驗事實溫度無關，與實驗事實不符合。不符合。LOGO愛因斯坦模型假設愛因斯坦模型假設：晶體中所有原子都以相同的角頻率：晶體中所有原子都以相同的角頻率E振振動，且各振動相互獨立。一摩爾晶體的

12、平均能量動，且各振動相互獨立。一摩爾晶體的平均能量其中其中稱為愛因斯坦溫度，一般為稱為愛因斯坦溫度，一般為100 -300K。晶格熱振動的摩爾熱容晶格熱振動的摩爾熱容量子理論量子理論LOGO高溫時高溫時T 0很大，很大，E/T 1 ，所以，所以T 0則則CmV 0，與實驗相符。，與實驗相符。但但CmV按指數(shù)規(guī)律快速下降，比實驗值更快地趨于零。按指數(shù)規(guī)律快速下降，比實驗值更快地趨于零。LOGO（3）德拜）德拜( Debye ) 熱容模型熱容模型德拜熱容模型假設德拜熱容模型假設：晶體是各向同性連續(xù)介質(zhì)，晶格振動：晶體是各向同性連續(xù)介質(zhì)，晶格振動具有從具有從0-m的角頻率分布。的角頻率分布。晶體的平

13、均能量晶體的平均能量令令為為德拜溫度德拜溫度LOGO則有則有當當N=N0，得，得摩爾熱容摩爾熱容高溫時高溫時 T 0 很大，很大，D/T 1 ，所以，所以CmV 3N0k=3R，即杜隆珀替定律。，即杜隆珀替定律。LOGO溫度很低時溫度很低時 T 0 ，D/T ，其中其中b為常數(shù)，此式即德拜三次方定律。為常數(shù)，此式即德拜三次方定律。理論計算與實際相吻合理論計算與實際相吻合LOGO德拜模型的優(yōu)點與不足德拜模型的優(yōu)點與不足u 沒有考慮電子溫度，而對金屬而言低溫下熱容基本由沒有考慮電子溫度，而對金屬而言低溫下熱容基本由 電子貢獻，正比于電子貢獻，正比于T。u 解釋不了超導現(xiàn)象。解釋不了超導現(xiàn)象。u 對

14、某些化合物的計算結果與實驗不符，原因在于德拜對某些化合物的計算結果與實驗不符，原因在于德拜 認為認為D D與溫度無關，且把晶體當作連續(xù)介質(zhì)處理與溫度無關，且把晶體當作連續(xù)介質(zhì)處理。優(yōu)點：優(yōu)點：不足：不足：u 德拜模型的結論與低溫試驗結果是一致的。德拜模型的結論與低溫試驗結果是一致的。LOGO作業(yè)答疑v 4、簡述愛因斯坦模型、德拜模型的特點和不足？v 愛因斯坦模型假設條件：1）每個原子都是一個獨立的振子2）原子之間彼此無關3）原子之間都是以相同的角頻率w振動。不足：1）把每個原子當作一個三維的獨立簡諧振子繞平衡點振動2）忽略了各格波的頻率差別，其假設過于簡化。v 德拜模型假設條件:1)考慮晶體中

15、原子的相互作用，晶格近似為連續(xù)介質(zhì)2）晶體振動的長聲學波-連續(xù)介質(zhì)的彈性波3）在低溫頻率較低的格波對熱容有重要貢獻等。不足：1）非常低的溫度下只有長波的激發(fā)是主要的，對于長波晶格是可以看做連續(xù)介質(zhì)的。對于較復雜的結構有各種高頻振動耦合，不適用2）沒有考慮電子的貢獻，無法解釋超導現(xiàn)象v 5、根據(jù)金屬材料的結構特點，分析討論金屬材料熱容的特點及影響因素？v 金屬結構特點：1）有大量自由電子2）自由電子組成電子氣在正離子實背景下運動3）遵守泡利不相容原理。v 無機材料的熱容和材料結構關系不大，而金屬材料在溫度很高和很低的情況下，自由電子和離子(晶格)振動對熱容的貢獻都有考慮。LOGO材料升高一度，需

16、吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容也不同，質(zhì)量輕，損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容也不同，質(zhì)量輕，熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質(zhì)隔熱磚，便于爐熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質(zhì)隔熱磚，便于爐體迅速升溫，同時降低熱量損耗。體迅速升溫，同時降低熱量損耗。根據(jù)熱容選材根據(jù)熱容選材LOGO1. 1. 運輸性質(zhì)變化運輸性質(zhì)變化2. 2. 熱力學性質(zhì)（比熱等）變化熱力學性質(zhì)（比熱等）變化3. 3. 溶解（固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵┤芙猓ü滔噢D(zhuǎn)變?yōu)橐合啵?. 4. 凝固（液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵┠蹋ㄒ合噢D(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵?. 5. 升華（固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)）升

17、華（固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)）6. 6. 凝華（氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)）凝華（氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)）7. 7. 相變相變8. 8. 熱釋電效應熱釋電效應9. 9. 熱分解和熱裂解熱分解和熱裂解10.10.熱穩(wěn)定熱穩(wěn)定熱物理性質(zhì)變化熱物理性質(zhì)變化LOGO3、材料的熱膨脹、材料的熱膨脹熱膨脹現(xiàn)象熱膨脹現(xiàn)象l 現(xiàn)象：熱膨脹是指常壓下材料的長度或體積隨溫度升高現(xiàn)象：熱膨脹是指常壓下材料的長度或體積隨溫度升高而增大。而增大。l 設材料的初始長度（體積）為設材料的初始長度（體積）為l0(V0) ，升溫后的增量為，升溫后的增量為 l(V) ，則有，則有l(wèi) 其中其中 和和 分別稱為平均線膨脹系數(shù)和平均體膨脹系數(shù)。分別稱為

18、平均線膨脹系數(shù)和平均體膨脹系數(shù)。l 在某一溫度，有：在某一溫度，有：其中其中 和和 分別稱為線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)。分別稱為線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)。LOGO溫度升高溫度升高 T后的長度和體積分別為后的長度和體積分別為對立方體材料，有對立方體材料，有所以所以同理同理若各向異性晶體各晶軸方向的線膨脹系數(shù)分別為若各向異性晶體各晶軸方向的線膨脹系數(shù)分別為a, b, c,則則Va+b+cLOGO非簡諧振動理論解釋熱膨脹機理。非簡諧振動理論解釋熱膨脹機理。可從以下兩可從以下兩 方面解釋：方面解釋： （1）原子間力）原子間力原子間距曲線原子間距曲線 （2）原子勢能）原子勢能原子間距曲線原子間距曲線3.1熱膨

19、脹機理熱膨脹機理質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)受力不對稱，即質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)受力不對稱，即合力曲線的斜率不等。合力曲線的斜率不等。當當r ro時，曲線的斜率較大，斥力隨時，曲線的斜率較大，斥力隨位移增大的很快，所受合力大。位移增大的很快，所受合力大。當當r ro時，曲線的斜率較小，吸引力時，曲線的斜率較小，吸引力隨位移增大的較慢，所受合力小。隨位移增大的較慢，所受合力小。如果質(zhì)點在平衡點兩側(cè)受力不對稱越如果質(zhì)點在平衡點兩側(cè)受力不對稱越顯著，溫度增大，膨脹就越大，晶胞顯著，溫度增大，膨脹就越大，晶胞參數(shù)越大。參數(shù)越大。LOGO勢能曲線不是嚴格對稱拋物線。勢能曲線不是嚴格對稱拋物線。即勢能隨原子間距的減小，

20、比隨即勢能隨原子間距的減小，比隨原子間距的增加而增長得更迅速。原子間距的增加而增長得更迅速。由于原子的能量隨溫度的增加而由于原子的能量隨溫度的增加而增加，結果：增加，結果：振動原子具有相等勢能的兩個極振動原子具有相等勢能的兩個極端位置間的平均位置就漂移到比端位置間的平均位置就漂移到比0K時（時（ro）更大的值處。由此造）更大的值處。由此造成平衡距離的增大。成平衡距離的增大。用勢能曲線解釋用勢能曲線解釋E3(T3)E2(T2)E1(T1)U(r)距離距離rroABab6、用雙原子模型討論固體 材料熱膨脹的物理本質(zhì)？LOGO熱膨脹與熱容熱膨脹與熱容 由于二者引起的機理一致，故變化趨勢相同。高溫下由

21、于二者引起的機理一致，故變化趨勢相同。高溫下由于熱平衡缺陷，造成點陣畸變，故由于熱平衡缺陷，造成點陣畸變，故增大較顯著。增大較顯著。Al2O3 的比熱容、線膨脹系數(shù)與溫度的關系的比熱容、線膨脹系數(shù)與溫度的關系3.2熱膨脹與其他性能的關系熱膨脹與其他性能的關系VVrcKVLOGO熱膨脹與溫度、熱容的關系熱膨脹與溫度、熱容的關系T/oC V比熱容比熱容VVrcKV晶格振動加劇晶格振動加劇引起體積膨脹引起體積膨脹( V) V、 Cv與溫度有相似的規(guī)律與溫度有相似的規(guī)律VC吸收能量升高單位溫度LOGO熱膨脹與熔點熱膨脹與熔點 二者均與結合能有關。結合能越大，則熔點二者均與結合能有關。結合能越大，則熔點

22、越高，而越高，而越小。格留乃申方程反映了這種越小。格留乃申方程反映了這種相反的變化趨勢。相反的變化趨勢。 Tm =（V TmV0）/ V0常數(shù)（常數(shù)（C） 其中：其中： Tm熔點；熔點； V Tm熔點時的體積；熔點時的體積； V00K時的體積時的體積LOGO固體材料的熱膨脹與點陣中質(zhì)點的位能有關，而質(zhì)點的固體材料的熱膨脹與點陣中質(zhì)點的位能有關，而質(zhì)點的位能由質(zhì)點間的結合力特性所決定，結合力強，勢能曲位能由質(zhì)點間的結合力特性所決定，結合力強，勢能曲線深而狹窄，升高同樣的溫度，質(zhì)點振幅增加的較少，線深而狹窄，升高同樣的溫度，質(zhì)點振幅增加的較少，熱膨脹系數(shù)小。熱膨脹系數(shù)小。單質(zhì)材料單質(zhì)材料 ro(1

23、0-10m) 結合能結合能103J/mol 熔點熔點 (oC) l(10-6)金剛石金剛石1.54712.335002.5硅硅2.35364.514153.5錫錫5.3301.72325.3熱膨脹與結合能、熔點的關系熱膨脹與結合能、熔點的關系LOGO 結構緊密的固體，膨脹系數(shù)大，反之，膨脹系數(shù)小結構緊密的固體，膨脹系數(shù)大，反之，膨脹系數(shù)小對于氧離子緊密堆積結構的氧化物，相互熱振動導致膨脹系數(shù)較大，對于氧離子緊密堆積結構的氧化物，相互熱振動導致膨脹系數(shù)較大，約在約在6810-6/ 0C，升高到德拜特征溫度時，增加到，升高到德拜特征溫度時，增加到 101510-6/ 0C。如：如：MgO、 BeO

24、、 Al2O3、 MgAl2O4、BeAl2O4都具有相當大的膨都具有相當大的膨脹系數(shù)。脹系數(shù)。固體結構疏松，內(nèi)部空隙較多，當溫度升高，原子振幅固體結構疏松，內(nèi)部空隙較多，當溫度升高，原子振幅加大，原子間距離增加時，部分被結構內(nèi)部空隙所容納，加大，原子間距離增加時，部分被結構內(nèi)部空隙所容納，宏觀膨脹就小。宏觀膨脹就小。如：石英如：石英 1210-6 /K ，石英玻璃，石英玻璃0.510-6/K熱膨脹與結構的關系熱膨脹與結構的關系LOGOH2NaClU(r)r離子鍵勢能曲線的對稱性比共鍵鍵的勢能曲線差，所離子鍵勢能曲線的對稱性比共鍵鍵的勢能曲線差，所以隨著物質(zhì)中離子鍵性的增加，膨脹系數(shù)也增加。另

25、以隨著物質(zhì)中離子鍵性的增加，膨脹系數(shù)也增加。另一方面，化學鍵的鍵強越大，膨脹系數(shù)越小。一方面，化學鍵的鍵強越大，膨脹系數(shù)越小。3.3影響熱膨脹的因素影響熱膨脹的因素（1） 化學鍵型化學鍵型LOGO（2）溫度變化時發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹）溫度變化時發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹. （g/cm3）：）：如：單斜如：單斜ZrO2 四方四方ZrO2 5.56 6.1 6.27 立方立方ZrO2 液相液相27150C11700C23700CLOGO（3）相變伴隨的點陣重構引起附加的）相變伴隨的點陣重構引起附加的L，而，而 L/ T（4）相組成、合金成分：）相組成、合金成分：粗略粗略符合符合“加和加和”規(guī)

26、規(guī)則。則。 ii7、影響熱膨脹的因素？LOGO一、熱傳導的基本概念和定律一、熱傳導的基本概念和定律 當固體材料兩端存在溫度差時，熱量會自動地從熱端傳向冷端的現(xiàn)象，稱為熱傳導 (Thermal conduction)。式中：熱導率或?qū)嵯禂?shù)，單位Wm-1K-1。1. 傅立葉定律和熱導率 流過與熱流垂直的某一面元的熱量，與面元的面積、時間和該處的溫度梯度成正比： 物理意義：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位橫截面的熱量。反映了材料的導熱能力。xTStQdxdTSdtdQ或4、熱傳導、熱傳導8、傅里葉定律的公式和內(nèi)容？LOGO4.1熱傳導的微觀機理熱傳導的微觀機理 熱量是由電子運動、質(zhì)點振動、熱輻射

27、所傳遞引起的。 熱傳導機制相應地分為三種： 聲子機制、光子機制、電子機制 熱傳導機制熱傳導機制聲子機制聲子機制光子機制光子機制電子機制電子機制LOGO 熱傳導過程就是材料內(nèi)部的能量傳輸過程。不同材料的導熱機構不同，固體中的導熱主要由晶格振動的格波和自由電子的運動來實現(xiàn)。導熱機制固體材料及條件電子熱導聲子熱導光子熱導純金屬合金或半導體絕緣體極高溫氣體導熱分子間直接碰撞；金屬導熱自由電子間碰撞；固體導熱晶格振動的格波聲子碰撞，并且格波分為聲頻支和光頻支兩類。LOGO（1）聲子導熱）聲子導熱聲子熱傳導可視為聲子聲子碰撞的結果，聲子熱傳導過程-聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的擴散過程：。式中：c為單位體

28、積中聲子的比熱、v為聲子的運動速度、l為聲子兩次碰撞間走過的路程為聲子自由程。熱容c在高溫時接近常數(shù)，在低溫時隨T3變化；聲子速度v僅與晶體密度和彈性力學性質(zhì)有關，可視為一常數(shù)。主要討論影響聲子的自由程 l的因素。lLOGO對于聲子熱導而言，熱阻來源于聲子擴散過程中的各種散射。影響熱傳導性質(zhì)的聲子散射主要有四種機構：（1）聲子的碰撞過程 聲子間碰撞概率越大，平均自由程越小，熱導率越低。 聲子的平均自由程隨溫度升高而降低：低溫下l值的上限為晶粒的線度；高溫下l值的下限為幾個晶格間距。（2）點缺陷的散射 散射強弱與點缺陷的大小和聲子波長的相對大小有關。在低溫時，為長波，波長比點缺陷大的多，猶如光線

29、照射微粒一樣，平均自由程與T4成反比；在高溫時，波長和點缺陷大小相近，平均自由程為一常數(shù)。（3）晶界的散射 晶界散射和晶粒的直徑d成反比，平均自由程與d成正比。（4）位錯的散射 在位錯附近有應力場存在，引起聲子的散射，其散射與T2成正比。平均自由程與T2成反比。LOGO導熱系數(shù)與溫度的關系較高溫度：一般在室溫以上，由晶體不完整性引起的聲子散射與溫 度無關；聲子-聲子散射起主導作用；較低溫度：聲子-聲子間散射對平均自由程影響迅速減小，晶體不完整性、缺陷的散射直接影響和決定自由程的大小。 LOGO（2）電子導熱）電子導熱u與聲子導熱類似，對電子導熱也有：與聲子導熱類似，對電子導熱也有：電子導熱系數(shù)

30、電子導熱系數(shù)其中其中為電子對熱容的貢獻，為電子對熱容的貢獻， ve 為其平均速度，為其平均速度，l 為其平均自由程。為其平均自由程。lLOGO 自由電子的比熱容越大，則電子從高溫區(qū)向低溫區(qū)運動時，攜帶的能量越多；電子的運動速度越高，則單位時間內(nèi)有更多的電子通過所考慮的截面；電子的平均自由程是電子在運動中相鄰兩次碰撞的平均距離。實際材料的導熱實際材料的導熱純金屬的導熱機理純金屬的導熱機理對金屬有：對金屬有：所以所以即金屬的主要傳熱機制是電子導熱，具有高導熱系數(shù)。即金屬的主要傳熱機制是電子導熱，具有高導熱系數(shù)。LOGO合金的導熱合金的導熱l 合金中的雜質(zhì)原子對電子起散射作用，雜質(zhì)濃度上升，合金中的

31、雜質(zhì)原子對電子起散射作用，雜質(zhì)濃度上升，e降低，降低， kte降低，降低，導熱是聲子和電子的共同的貢獻導熱是聲子和電子的共同的貢獻。u雜質(zhì)越多，雜質(zhì)越多，kt越低，越低，在原子濃度在原子濃度50處處達到最低。達到最低。LOGO光子熱導（輻射傳熱）固體中的分子、原子和電子 電磁波（光子）振動、轉(zhuǎn)動電磁波覆蓋了一個較寬的頻譜。其中具有較強熱效應的在可見光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱為熱射線。熱射線的傳遞過程-熱輻射。熱輻射在固體中的傳播過程和光在介質(zhì)中的傳播過程類似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。光子的導熱過程光子的導熱過程-光子在介質(zhì)中的傳播過程。光子在介質(zhì)中的傳播過程。（3）光子

32、導熱）光子導熱高溫時材料中分子、原子和電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變會輻射出電磁波，波長在400-40000nm 的可見光和紅外線有較強的熱效應。LOGO固體中輻射傳熱過程的定性解釋：吸收輻射熱穩(wěn)定狀態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài)T1T2能量轉(zhuǎn)移對于完全不透明的介質(zhì)，lr=0，輻射傳熱可以忽略。對于輻射線是不透明的介質(zhì)，熱阻大，lr很小，大多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在1773 K高溫下輻射才明顯；對于輻射線是透明的介質(zhì)，熱阻小，lr較大，如：單晶、玻璃，在773-1273 K輻射傳熱已很明顯；9、簡述固體材料的熱傳導機制？LOGO溫度很低時，聲子的平均自由程l基本無多大變化，處于上限值（晶粒尺寸），主要是熱容c對

33、熱導率有貢獻。 近似與T3成比例地變化。40 K 1600 K exp(D/2T)熱輻射氧化鋁單晶的熱導率隨溫度的變化T3 在更高的溫度，c已基本無變化，l值也逐漸趨于下限，所以隨溫度的變化又變得緩和。在達到1600 K的高溫后，值有少許回升，這是高溫時輻射傳熱的貢獻。溫度繼續(xù)升高，c隨溫度T的變化不再與T3成比例，并在德拜溫度以后趨于一恒定值。而l值因溫度升高而減小，成了主要影響因素。因此，值隨溫度升高而迅速減小。這樣，在某個低溫處(40 K)，值出現(xiàn)極大值。熱傳導的影響因素1. 溫度的影響LOGO2. 化學組成的影響 不同組成的晶體，熱導率往往有很大差異。這是因為構成晶體的質(zhì)點的大小、性質(zhì)

34、不同，它們的晶格振動狀態(tài)不同，傳導熱量的能力也就不同。質(zhì)點的原子量愈小，密度愈小，楊氏模量愈大，德拜溫度愈高，則熱導率愈大。 輕元素的固體和結合能大的固體，熱導率較大。 如金剛石的熱傳導系數(shù)比任何其他材料都大，常用于固體器件的基片。1.710-2 W/(mK)，比較重的硅、鍺的高（Si、Ge的分別為1.010-2和0.510-2 W/(mK)）。 較低原子量的正離子形成的氧化物和碳化物具有較高的熱傳導系數(shù)，如：BeO，SiC。線性簡諧振動時，幾乎無熱阻，熱阻是由非線性振動引起，即：晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。 LOGO 固溶體的形成降低熱導率，而且取代元素的質(zhì)量和大小與基質(zhì)元素相差愈大，取

35、代后結合力改變愈大，則對熱導率的影響愈大。 在雜質(zhì)濃度很低時，雜質(zhì)效應十分顯著。所以在接近純MgO或純NiO處，雜質(zhì)含量稍有增加，值迅速下降。隨著雜質(zhì)含量的增加，這個效應不斷減弱。 雜質(zhì)效應在473 K比1273 K要強。若低于室溫，雜質(zhì)效應會更強烈。固溶體MgO-NiO的熱導率LOGO3. 結構的影響 結晶構造的影響。晶體結構愈復雜，晶格振動的非諧性程度愈大，格波受到的散射愈大。因此，聲子平均自由程較小，熱導率較低。 例如：鎂鋁尖晶石的熱導率比A12O3和MgO的熱導率都低。莫來石的結構更復雜，所以熱導率比尖晶石還低得多。 各向異性晶體的熱導率。非等軸晶系晶體的熱導率呈各向異性。溫度升高時，

36、不同方向的熱導率差異減小。這是因為溫度升高，晶體的結構總是趨于更好的對稱。 例如：石英、金紅石、石墨等都是在膨脹系數(shù)低的方向熱導率最大。LOGO 多晶體與單晶體的熱導率。對于同一種物質(zhì)，多晶體的熱導率總是比單晶小。多晶體中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界處雜質(zhì)也多，聲子更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以熱導率小。原因隨溫度升高，多晶體與單晶體熱導率的差異變大。幾種無機材料單晶和多晶的 -T關系LOGO 玻璃具有近程有序、遠程無序的結構。近似地把它當作由直徑為幾個晶格間距的極細晶粒組成的“晶體”?？梢杂寐曌訉岬臋C構來描述玻璃的導熱行為和規(guī)律。 聲子的平均自由程由低溫下的晶粒直徑大小變化到

37、高溫下的幾個晶格間距的大小。因此，對于晶粒極細的玻璃來說，它的聲子平均自由程在不同溫度將基本上是常數(shù)，其值近似等于幾個晶格間距。 玻璃的熱導率主要由熱容與溫度的關系決定，在較高溫度以上則需考慮光子導熱的貢獻。 非晶體的熱導率。LOGOa、在中低溫 (400-600 K)以下，光子導熱的貢獻可忽略。溫度升高，熱容增大，玻璃的熱導率不斷上升。b、從中溫到較高溫度 (600-900 K)，隨著溫度的不斷升高，聲子熱容不再增大，逐漸為一常數(shù)，但此時光子導熱開始增加，玻璃的T曲線開始上揚。c、溫度高于900 K，光子熱導率隨溫度升高而急劇增大，因此曲線急劇上揚。三個階段LOGO復相材料的熱導率復相材料的

38、熱導率許多陶瓷是分散相均勻分布于連續(xù)相中。許多陶瓷是分散相均勻分布于連續(xù)相中。復相合金和復合材料也如此。復相合金和復合材料也如此。復相材料的熱導率復相材料的熱導率l 其中其中 =kc/kd是連續(xù)相和分散相的導熱系數(shù)之比，是連續(xù)相和分散相的導熱系數(shù)之比，Vd是分散是分散相的體積分數(shù)。相的體積分數(shù)。l 若將陶瓷晶粒看成分散相，晶界（玻璃相）當作連續(xù)相，若將陶瓷晶粒看成分散相，晶界（玻璃相）當作連續(xù)相，可計算陶瓷的熱導率。可計算陶瓷的熱導率。l 若將若將 若將固體看成連續(xù)相，氣孔看成分散相，則由于氣孔若將固體看成連續(xù)相，氣孔看成分散相，則由于氣孔熱導率熱導率kd0，有，有即氣孔增多，熱導率降低即氣孔

39、增多，熱導率降低用多孔陶瓷保溫。用多孔陶瓷保溫。LOGO4. 氣孔率的影響(1) 當溫度不很高（一般500 ），氣孔率不大，氣孔尺寸很小又均勻分散在陶瓷介質(zhì)中時（氣孔可看為分散相），與固相相比，氣相的熱導率近似為零，有：）氣孔1 (s陶瓷固相熱導率氣孔的體積分數(shù)(2) 當溫度高于500 時，要考慮氣孔的輻射傳熱；(3) 當材料內(nèi)孔洞很大，且有一定貫穿性，易產(chǎn)生對流傳熱。在不改變結構狀態(tài)下，氣孔率增大導致熱導率降低。剛玉和莫來石1000 下熱導率與孔隙率的關系10、簡述氣孔對材料熱傳導的影響規(guī)律？LOGO材料電學性能v導電性能v 1. 評定材料導電性的基本參數(shù)v 2.導體、半導體、絕緣體的劃分v

40、 3.導電機理v 1） 經(jīng)典自由電子論經(jīng)典自由電子論 不考慮電子與電子、電子與離不考慮電子與電子、電子與離子之間的相互作用子之間的相互作用 2） 量子自由電子論：價電子量子化、離子實勢場均勻量子自由電子論：價電子量子化、離子實勢場均勻v 3） 能帶理論：考慮原子核勢場、電子平均勢場，且勢能帶理論：考慮原子核勢場、電子平均勢場，且勢場呈周期性變化。場呈周期性變化。LOGO作業(yè)答疑v 1.試說明量子自由導電理論與經(jīng)典導電理論的異同。 v （1）經(jīng)典電子理論認為，在金屬晶體中，離子構成了晶格點陣，并形成一個均勻的電場，價電子是完全自由的，稱為自由電子，他們彌散分布于整個點陣之中，就像氣體分子充滿整個

41、容器一樣，因此稱為“電子氣”。自由電子的運動遵循經(jīng)典力學氣體分子的運動規(guī)律，自由電子之間及它們與正離子之間的相互作用僅僅是類似于機械碰撞而已。 在沒有外加電場作用時，金屬中的自由電子沿各個方向運動的幾率相同，因此不產(chǎn)生電流。當對金屬施加外電場時，自由電子沿電場方向作加速運動，從而形成電流。 v 在自由電子定向運動過程中，要不斷地與正離子發(fā)生碰撞，使電子受阻，這就是產(chǎn)生電阻的原因。 （2）量子自由電子理論：和經(jīng)典電子理論一樣，量子自由電子理論同樣認為金屬中正離子形成的電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用，且為整個金屬所有，可以在整個金屬中自由運動。但這一理論認為，金屬中每個原子的內(nèi)層電子基本

42、保持著單個原子時的能量狀態(tài)，而所有價電子卻按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級。LOGO能帶理論導體、絕緣體、半導體能帶結構特點導體、絕緣體、半導體能帶結構特點滿帶滿帶空帶空帶導帶導帶價帶價帶禁帶禁帶允帶允帶空穴導電空穴導電本征導電本征導電LOGO超導電性v超導現(xiàn)象、超導體、超導轉(zhuǎn)變溫度v超導體的基本特性v超導體的重要特征v影響材料導電性的因素v1）溫度的影響v2）冷塑性變形和應力的影響v3）合金化的影響LOGO作業(yè)答疑v 2、為什么金屬的電阻因溫度升高而增大，而半導體的電阻卻因溫度的升高而減小？ v 對金屬材料，盡管溫度對有效電子數(shù)和電子平均速率幾乎沒有影響，然而溫度升高會使離子

43、振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，周期勢場的漲落也加大。這些因素都使電子運動的自由程減小，散射幾率增加而導致電阻率增大。 v 半導體當溫度升高時，滿帶中有少量電子有可能被激發(fā)到上面的空帶中去，在外電場作用下，這些電子將參與導電。同時，滿帶中由于少了一些電子，在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，滿帶變成了部分占滿的能帶，在外電場作用下，仍留在滿帶中的電子也能夠起導電作用。 v 3、表征超導體性能的3個主要指標是什么？超導體性能的三個主要指標為： 臨界轉(zhuǎn)變溫度TC，即成為超導態(tài)的最高溫度； v 臨界磁場HC，即能破壞超導態(tài)的最小磁場，HC的大小與超導材料的性質(zhì)有關； 臨界電流密度JC，即材料保持超導狀態(tài)的最大輸入電流。LOGO熱電性能v帕爾貼效應-接觸熱電勢v湯姆遜效應-溫差熱電勢v塞貝