材料物理性能-ppt課件

1、序論1.材料的性能問(wèn)題回顧 研究材料和生產(chǎn)材料的目的材料 材料能否達(dá)到要求和優(yōu)劣、性能價(jià)格比（科技發(fā)展對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高）。 對(duì)于每一實(shí)際應(yīng)用的材料要求其具有一種或多種（綜合）性能。 有些場(chǎng)合要求材料某方面的指標(biāo)越高越好，如超導(dǎo)材料：在努力提高其臨界溫度Tc，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域；有些場(chǎng)合要考慮其“性能價(jià)格比”，即達(dá)到使用要求即可。 那么，性能如何表征和測(cè)試、性能的物理本質(zhì)、影響性能的因素、如何正確選擇材料和提高材料的性能是材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。 總之，我們使用和研究材料，必須首先對(duì)其性能要有充分的了解。 材料性能分類、概況？材料物理性能力學(xué)性能 在外力作用下所表現(xiàn)出的行為： 彈性變形、塑性變形

2、、斷裂彈性模量、硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞等等。作為結(jié)構(gòu)材料最重要的性能指標(biāo)。物理性能 由材料的物理本質(zhì)所決定的性能，如電子能帶結(jié)構(gòu)的不同決定材料導(dǎo)電性的不同等。是材料在熱、電、磁、光等作用下通過(guò)材料的物理本質(zhì)所表現(xiàn)出的不同性能。如密度、熱膨脹性、導(dǎo)電性、磁性、導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)等。作為功能材料最重要的性能指標(biāo)。 化學(xué)性能 材料在一定環(huán)境條件下抵抗各種介質(zhì)化學(xué)作用的能力。如耐腐蝕性能、抗氧化性能等。工藝性能 材料在不同制造工藝條件下所表現(xiàn)出來(lái)的承受加工的能力，是物理、化學(xué)性能的綜合。如鑄造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工性能等。直接影響材料使用的方式、成本、生產(chǎn)效率等。材料的性能（使用性能和

3、工藝性能） 材料性能學(xué)是材科科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課。因?yàn)椴牧峡茖W(xué)的根本任務(wù)是：材料制備、提高材料性能、開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的新材料、研究材料的應(yīng)用，以滿足各行業(yè)對(duì)材料性能要求日益提高的需要。最終歸結(jié)到材料性能上。 通過(guò)材料性能的學(xué)習(xí)，可以掌握材料性能的基本概念、物理本質(zhì)、變化規(guī)律及性能指標(biāo)的工程意義，了解影響材料性能的各種因素及材料性能與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，掌握改善和提高材料性能、充分發(fā)揮材料性能潛力的主要途徑，同時(shí)了解材料性能的測(cè)試原理、方法及相關(guān)儀器設(shè)備。 只有這樣才能在合理選用材料、提高材料性能和開(kāi)發(fā)新材料過(guò)程中具有必須的基本知識(shí)、基本技能和明確的思路。2.為什么要學(xué)習(xí)和研究材料

4、的性能工程材料按照其用途可分為：結(jié)構(gòu)材料和功能材料 在以機(jī)械工業(yè)為主導(dǎo)的時(shí)代：主要使用結(jié)構(gòu)材料，主要追求材料高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫等，即材料力學(xué)性能。 當(dāng)今人類進(jìn)入了信息時(shí)代：功能材料越來(lái)越重要，發(fā)展迅速。如信息技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)、機(jī)器人領(lǐng)域，太空、海洋等領(lǐng)域要求材料具有很高的功能性。材料物理性能是功能材料的基礎(chǔ)，如音像技術(shù)與材料的磁學(xué)性能有關(guān)、超導(dǎo)材料與材料的電性能相關(guān)、隔熱材料與材料的熱學(xué)性能相關(guān)、光導(dǎo)纖維與材料的光學(xué)性能有關(guān)等。 學(xué)習(xí)材料物理性能主要是為功能材料的研究和使用打基礎(chǔ)。3.本課程的學(xué)習(xí)目的、內(nèi)容 學(xué)習(xí)熱學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和光學(xué)性能。 掌握基本概念： 有關(guān)概念與現(xiàn)象及表征

5、，如熱導(dǎo)率、磁疇、硬磁與軟磁材料、熱電效應(yīng)、半導(dǎo)體的熱敏、光敏現(xiàn)象等等。物理本質(zhì)： 如熱膨脹是怎么產(chǎn)生的，不同材料為什么有不同的磁性等。從材料原子結(jié)構(gòu)、電子層、晶格運(yùn)動(dòng)等內(nèi)部因素認(rèn)識(shí)材料物理性能的本質(zhì)和機(jī)理。影響因素、與化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系： 如為什么合金熱導(dǎo)率較純金屬低？為什么陶瓷材料較金屬材料熱膨脹系數(shù)??？石墨與金剛石哪個(gè)熱膨脹系數(shù)大？為什么？等等。物理性能指標(biāo)的工程意義： 物理性能指標(biāo)在實(shí)際工程上有何應(yīng)用。了解物理性能指標(biāo)的測(cè)試方法和原理，相關(guān)儀器，試樣準(zhǔn)備。注意：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料表現(xiàn)出不同的物理性能，如材料熱穩(wěn)定性（耐熱震性）只對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料有意義，導(dǎo)電熱

6、敏效應(yīng)只對(duì)半導(dǎo)體材料有意義等等。學(xué)習(xí)時(shí)將三大類材料物理性能的共性融合在一起，同時(shí)兼顧其個(gè)性。本課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容和要求材料物理性能 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 邱成軍等 TB303/Q712材料物理性能 機(jī)械工業(yè)出版社，陳騑騢 TB303/C417 金屬材料物理性能 冶金工業(yè)出版社 王潤(rùn) 75.211 W35無(wú)機(jī)材料物理性能 清華大學(xué)出版社 關(guān)振鐸等 71.2241/460工程材料的性能、設(shè)計(jì)與選材 機(jī)械工業(yè)出版社，柴惠芬,石德珂編 71.22/501材料物理性能 中南大學(xué)出版社 龍毅，李慶奎，強(qiáng)文江參考書(shū)： 熱學(xué)性能：各種材料及其制品都是在一定溫度環(huán)境下使用的，在使用過(guò)程中將對(duì)不同的溫度做出反映，所表

7、現(xiàn)出的不同熱物理性能。 如環(huán)境溫度變化材料膨脹或收縮，同時(shí)吸收或放出熱量，但不同材料表現(xiàn)不同的值；材料各部分溫度不同時(shí)。 包括熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性等等。本章學(xué)習(xí)這些熱學(xué)性能的有關(guān)概念、物理本質(zhì)、影響因素、測(cè)量方法和工程意義。第一章 材料的熱學(xué)性能第1節(jié) 熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)1、各種熱學(xué)性能的物理本質(zhì) 材料各種熱學(xué)性能的物理本質(zhì)，均與晶格熱振動(dòng)有關(guān)。晶格熱振動(dòng)：固體材料（包括晶體和非晶體），點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子）實(shí)際上并不是固定不動(dòng)的，而總是圍繞其平衡位置作微小振動(dòng)。如金屬鋁、NaCl(面心立方)中離子。 熱振動(dòng)的劇烈程度與溫度有關(guān)。溫度不太高時(shí)各質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置作微小振動(dòng)，溫度升高

8、振動(dòng)加劇，甚至產(chǎn)生擴(kuò)散（非均質(zhì)材料），溫度升至一定程度，振動(dòng)周期破壞，材料熔化，晶體材料表現(xiàn)出固定熔點(diǎn)。 只討論溫度不太高時(shí)材料的熱學(xué)性能。溫度變化，質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)變化，導(dǎo)致。第1節(jié) 熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)2、質(zhì)點(diǎn)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程 可將晶格熱振動(dòng)分解成三個(gè)方向的線性振動(dòng)。設(shè)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為m，在任一瞬間該質(zhì)點(diǎn)在x方向的位移為xn。其相鄰質(zhì)點(diǎn)的位移為xn-1 xn+1 。該質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為： Em為微觀彈性模量。 相鄰質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移間的關(guān)系。臨近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)存在一定的相位差，即各質(zhì)點(diǎn)的熱振動(dòng)不是孤立的，與臨近質(zhì)點(diǎn)存在相互作用。描述：說(shuō)明：3、質(zhì)點(diǎn)的熱振動(dòng)與物體熱量 構(gòu)成物體各質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的總和即為物體的熱量

9、。溫度升高，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率和振幅增加，熱量增加。與熱容有關(guān)。4、聲頻支振動(dòng)和光頻支振動(dòng) 材料中質(zhì)點(diǎn)間存在很強(qiáng)的相互作用力，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)影響其臨近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，進(jìn)而影響到其它區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)。相鄰質(zhì)點(diǎn)間的振動(dòng)存在一定相位相差，即晶格振動(dòng)以彈性波的形式在整個(gè)材料內(nèi)傳播，這種彈性波稱為格波。彈性波是多頻率振動(dòng)的組合波，頻率高者傳播較快。 聲頻支振動(dòng)：振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)中頻率甚低的格波，質(zhì)點(diǎn)彼此之間位相差不大，則格波類似于彈性體中的應(yīng)變波（與聲音頻率相當(dāng)）。 光頻支振動(dòng)：格波中頻率甚高的振動(dòng)波，質(zhì)點(diǎn)間位相差很大，鄰近質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)幾乎相反，頻率住往在紅外光區(qū)。 聲頻支振動(dòng)可看成相鄰質(zhì)點(diǎn)具有相同的振動(dòng)方向；光頻支振動(dòng)可

10、看成相鄰質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相反。 對(duì)于離子型晶體，正、負(fù)離子間存在相對(duì)振動(dòng)，對(duì)于光頻支振動(dòng)，異號(hào)離子間有反向位移，便構(gòu)成了一個(gè)偶極子，在振動(dòng)過(guò)程中此偶極子的偶極矩周期性變化，根據(jù)電動(dòng)力學(xué)，它會(huì)發(fā)射電磁波，其強(qiáng)度決定于振幅大小。在室溫下，所發(fā)射的這種電磁波是微弱的，如果從外界發(fā)射相應(yīng)頻率的紅外光，則會(huì)被晶體強(qiáng)烈吸收，從而激發(fā)總體振動(dòng)。這就是離子晶體具有很強(qiáng)的紅外光吸收特性的原因。第1節(jié) 熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)第2節(jié) 材料的熱容1.熱容： 在沒(méi)有相變、化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1K所吸收的熱量。 單位J/K （在T溫度時(shí)）。 為什么溫度升高材料吸收熱量哪？（即熱容的物理本質(zhì)是什么？）溫度升高，晶格熱振動(dòng)

11、加劇，材料內(nèi)能增加，若發(fā)生膨脹，還對(duì)外做功。影響物質(zhì)熱容的因素：物質(zhì)的性質(zhì)、溫度、是否發(fā)生體積變化、電子。2. 比熱容（質(zhì)量熱容）：?jiǎn)挝毁|(zhì)量材料的熱容，單位J/(Kg K)。 一、熱容的基本概念及其與溫度的關(guān)系（一）熱容的基本概念和物理本質(zhì)3.摩爾熱容：1mol材料的熱容。單位：4.平均比熱容： 同種材料在不同溫度比熱容不同，工程上往往用單位質(zhì)量的材料從溫度T1升高到T2所吸收熱量的平均值表示其熱容，稱平均比熱容 。較粗略，但工程上常用，使用時(shí)注意：溫度范圍。一、熱容的基本概念5.比定壓熱容和比定容熱容 比定壓熱容：材料溫度升高時(shí)，壓強(qiáng)恒定，所測(cè)得的比熱容。P內(nèi)能焓 比定容熱容：材料溫度升高時(shí)

12、，體積恒定，所測(cè)得的比熱容。cp與cv哪個(gè)大？cpcv 原因？cp測(cè)量方便，cv更具理論意義。對(duì)于固體材料二者差別很小，可忽略，但高溫下差別增大。cp、cv與溫度之間的關(guān)系（三個(gè)階段）。 (1)經(jīng)典熱容理論：固體中每一個(gè)自由度的振動(dòng)（共3個(gè)）用諧振子表示，每個(gè)振動(dòng)自由度平均動(dòng)能和平均位能都為1/2kT(k為玻爾茨曼常數(shù) 1.3810-23，則每個(gè)原子平均動(dòng)能和位能之和為：3 2 1/2kT3kT, 1mol原子的原子個(gè)數(shù)為N（阿佛加德羅常數(shù) 6.02 1023），1mol原子的總能量為： E3NkT3RT 3R3 8.31425J/Kmol 二、晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗(yàn)定律與經(jīng)典理論19世紀(jì)提出，認(rèn)

13、為熱容與溫度和材料種類無(wú)關(guān)。 1.元素的熱容定律杜隆伯替定律 恒壓下元素的原子熱容等于25J/molK，即晶態(tài)固體材料每含1mol原子，熱容為25J/molK。（舉例） (2) 實(shí)際上大部分元素的在常溫以上原子熱容接近該值，但對(duì)于輕元素與實(shí)際值差別較大。2. 化合物的熱容定律奈曼柯普定律 化合物的分子熱容等于構(gòu)成此化合物各原子熱容之和。 雙原子固體：如NaCl、TiC 摩爾熱容？ 多原子固體：如H2O、 SiO2、CaSiO3 摩爾熱容？ 其來(lái)由是根據(jù)杜隆伯替定律，也是基于經(jīng)典熱容理論。二、晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗(yàn)定律與經(jīng)典理論 （1）認(rèn)為熱容與溫度無(wú)關(guān)，與事實(shí)不符。實(shí)際上？ （2）低溫時(shí)、輕元素與

14、事實(shí)差別很大。 （3）認(rèn)為所有元素?zé)崛菹嗤瑯?gòu)成化合物時(shí)，分子熱容等于各原子熱 容之和，與事實(shí)不完全相符。 （4）未考慮體積是否變化及電子的影響。 （5）除輕元素外大部分元素與固體物質(zhì)在非低溫時(shí)與事實(shí)十分接近。3.熱容經(jīng)驗(yàn)定律評(píng)價(jià)原因：假設(shè)與前提問(wèn)題，原子（各種元素） 在相同溫度下，平均動(dòng)能、位能相等，模型過(guò)于簡(jiǎn)化。 經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論在解釋實(shí)際問(wèn)題時(shí)不能與事實(shí)完全相符，因此出現(xiàn)了固體熱容的量子理論。3.熱容經(jīng)驗(yàn)定律評(píng)價(jià)三、晶態(tài)固體熱容的量子理論 晶態(tài)固體熱容的經(jīng)典理論過(guò)于簡(jiǎn)化，存在較多的問(wèn)題。20世紀(jì)初期提出了晶態(tài)固體量子理論，能夠更好地解釋熱容現(xiàn)象。 普朗克首先提出了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能量的“量子化

15、”理論。認(rèn)為在一物體內(nèi)，即使溫度相同，不同質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)的頻率（）也不盡相同，即使同一質(zhì)點(diǎn)能量也時(shí)大時(shí)小。但它們的能量都是量子化的，都以h為最小單位，稱量子能階。質(zhì)點(diǎn)的能量都是這一最小單位的整數(shù)倍。 在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化和推導(dǎo)，得到了一些熱容的數(shù)學(xué)模型，其中有代表性的為愛(ài)因斯坦模型和德拜模型。1.愛(ài)因斯坦模型 1906年愛(ài)因斯坦根據(jù)普朗克質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)量子化的觀點(diǎn)，并假設(shè)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在獨(dú)立振動(dòng)，原子間彼此無(wú)關(guān)，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率相同，簡(jiǎn)化、推導(dǎo)而得。 推導(dǎo)過(guò)程：略 注意愛(ài)因斯坦溫度E 進(jìn)步：能量量子化、考慮到溫度因素。 討論：（1）當(dāng)高溫時(shí)（TE ），Cv3R 即為杜隆伯替定律的形式，實(shí)際上杜隆伯替定律在較

16、高溫度 時(shí)與事實(shí)符合較好。 愛(ài)因斯坦模型中考慮到了頻率隨溫度和元素的變化，較杜隆伯 替定律精確。 1.愛(ài)因斯坦模型（2）低溫時(shí)（TE ）， 熱容以指數(shù)規(guī)律隨T減小而減小，但不是按T的三次方變化，計(jì)算值 較實(shí)際值小，但較經(jīng)驗(yàn)定律有明顯進(jìn)步。（3）T0時(shí)，熱容為0，與事實(shí)相符。 評(píng)價(jià)： 三個(gè)方面的進(jìn)步：考慮到的溫度、低溫、溫度趨于0時(shí)。 不足：在TE溫區(qū)理論值較實(shí)驗(yàn)值下降得過(guò)快。 原因：前提、沒(méi)有考慮低頻率振動(dòng)對(duì)熱容的貢獻(xiàn)。德拜模型在這一方面作了改進(jìn)，故能得到更好結(jié)果。 前提：考慮了晶體中各質(zhì)點(diǎn)的相互作用；對(duì)熱容的貢獻(xiàn)主要是頻率較低的聲頻支振動(dòng)（0max），光頻支振動(dòng)對(duì)熱容的貢獻(xiàn)很小，忽略；把晶體

17、看作連續(xù)介質(zhì)； max由分子密度和聲速?zèng)Q定。 推導(dǎo)過(guò)程：略 注意德拜特征溫度D 進(jìn)步：考慮到了晶體中各質(zhì)點(diǎn)的相互作用。2. 德拜模型 討論：（1）高溫時(shí)（TD ），Cv3R，即杜隆伯替定律形式。同時(shí)考慮到了頻率隨溫度和元素的變化，一般溫度下，較杜隆伯替定律精確。（2）低溫時(shí)（TD ）， 表明T趨于0時(shí)，熱容與T的3次方成比例地趨于0，與事實(shí)十分符合，較愛(ài)因斯坦模型進(jìn)步。 評(píng)價(jià)： 一般場(chǎng)合已足夠精確。但隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)其在低溫下還不能與實(shí)際完全相符；不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象；不完全適用于復(fù)雜化合物。 原因：晶體畢竟不是一個(gè)連續(xù)體（如晶界、雜質(zhì)等缺陷）。對(duì)于金屬晶體，沒(méi)有考慮自由電子的貢獻(xiàn)等。四、

18、無(wú)機(jī)材料的熱容 1. 材料都有D （0.20.5T熔），D以上熱容逐漸趨于25J/molK，絕大多數(shù)氧化物、碳化物，至1273K附近熱容近似于25J/molK，溫度進(jìn)一步增加熱容基本不變。 2.熱容與材料組織結(jié)構(gòu)關(guān)系不大，如CaO和SiO2mol比為1：1的混合物與CaSiO3的熱容T曲線基本重合。但單位體積的熱容與氣孔率有關(guān)，多孔材料質(zhì)輕，體積熱容小。因此周期加熱爐，用多孔的硅藻上磚、泡沫剛玉等，減少熱量損耗，加快升降溫速度。 3. 在相變、多晶轉(zhuǎn)化、鐵電轉(zhuǎn)變、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變等點(diǎn)上，熱容突變。同樣金屬材料熔化與凝固、過(guò)飽和固溶體時(shí)效，馬氏體與殘余奧氏體回火轉(zhuǎn)變，形變金屬的回復(fù)、再結(jié)晶等溫度也存

19、在這一現(xiàn)象。原因？ 4.材料熱容與溫度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以整理，可得經(jīng)驗(yàn)公式： Cp abTcT2 一些無(wú)機(jī)材料在不同溫度范圍的 a、b、c可通過(guò)相關(guān)資料（如物理性能手冊(cè)）查出。工程上一般采用。 較高溫度下，若某物質(zhì)的數(shù)據(jù)不能查得，工程上也常用查得的構(gòu)成該化合物的元素或簡(jiǎn)單化合物的熱容總和作為其熱容（如CaSiO3）。五、金屬材料的熱容 1.自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn) 金屬的特征是內(nèi)部有大量的自由電子。經(jīng)典電子論估計(jì)自由電于對(duì)熱容的貢獻(xiàn)在32k（玻爾茨曼常數(shù)）數(shù)量級(jí)，且與溫度無(wú)關(guān)，金屬化合物、固溶體和中間相的熱容由點(diǎn)陣振動(dòng)和自由電子兩部分組成。常溫下電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)只占1100；但在極高

20、溫度和極低溫度下，對(duì)熱容的貢獻(xiàn)不可忽視。這是因?yàn)楦邷叵码娮酉窠饘倬w離子那樣顯著地參加到熱運(yùn)動(dòng)中，因此，高溫區(qū)隨溫度升高熱容繼續(xù)上升。極低溫下，電子熱容不像離子熱容那樣急劇減小，因而在極低溫度下起著主導(dǎo)作用。 2.合金成分對(duì)熱容的影響 合金的熱容是每個(gè)組成元素?zé)崛菖c其質(zhì)量百分比的乘積之和。溫度高于D時(shí)，計(jì)算出的熱容值與實(shí)測(cè)結(jié)果相差不超過(guò)4。該定律具有一定的普遍性，它不僅適用于金屬化合物、金屬與非金屬的化合物，并能準(zhǔn)確地適用于中間相和固溶體及它們所組成的多相合金，但對(duì)鐵磁合金不適用。熱處理雖能改變合金組織，但對(duì)合金高溫下的熱容無(wú)明顯影響。 3.相變時(shí)熱容變化（自學(xué)）P9六、熱容的測(cè)量（自學(xué)）七、

21、熱分析及其工程應(yīng)用（自學(xué)）第3節(jié) 材料的熱膨脹一、熱膨脹的概念及熱膨脹系數(shù)1.熱膨脹：物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象。也就是所謂的 熱脹冷縮現(xiàn)象。 不同物質(zhì)的熱膨脹特性不同。有的物質(zhì)隨溫度變化有較大的體積變化，而另一些物質(zhì)則相反。即使是同一種物質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)不同（如石英玻璃與SiO2晶體），也將有不同的熱膨脹性能，等等。 意義：集成電路、特?zé)舻然w材料與金屬間的封接，復(fù)合材料，精密儀器等。選擇、設(shè)計(jì)膨脹性能滿足使用要求的材料。2.熱膨脹系數(shù)：1）線膨脹系數(shù)（1）物體溫度升高自T1T2，其長(zhǎng)度增加自L1L2，則 即為T1T2溫度區(qū)間的平均線膨脹系數(shù),單位：K 。表示物體在該溫度范圍內(nèi)，溫

22、度每平均升高1個(gè)單位，長(zhǎng)度的相對(duì)變化量。是材料在一個(gè)溫度范圍內(nèi)的平均膨脹特性。工業(yè)上通常使用。1一、熱膨脹的概念及熱膨脹系數(shù)（2）當(dāng)T和L0時(shí)，得 即T溫度下的真線膨脹系數(shù)，或微分線膨脹系數(shù)。（3） 一般隨溫度的升高而升高。 （4）手冊(cè)上查到的都是平均線膨脹系數(shù)，工程上一般使用，但一定注意其使用溫度范圍。（5）一般無(wú)機(jī)非金屬 較小，金屬材料較大。大多在105106K 1 數(shù)量級(jí)。如（106K 1）：Al:23.8（303273K）；鋼: 1020（273373K）；Cu:17.18（373K）Si:6.95（ 273373K）；SiC:4.7 （2731273K）；Si3N4:2.7 （273

23、1273K）；石英玻璃:0.5 （2731273K）。2）體積膨脹系數(shù)（體膨脹系數(shù)） 物體的體積隨溫度升高而增大，表示為：VT=V0(1+V T)， V即為平均體積膨脹系數(shù)。 表示物體溫度升高1K，體積的相對(duì)增大量。真體積膨脹系數(shù)？（1）各項(xiàng)同性立方體材料：V 3L 推導(dǎo)略。（2）各項(xiàng)異性立方體材料： 各晶軸方向的線性膨脹系數(shù)不同，分別為表示為：a、b、c 可得：V ab c 推導(dǎo)略。二、熱膨脹的機(jī)理 重點(diǎn)、難點(diǎn) 1.簡(jiǎn)諧振動(dòng)問(wèn)題 前面將質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)近似看作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。即質(zhì)點(diǎn)只圍繞其平衡位置做熱振動(dòng)，溫度升高不改變其平衡位置，只影響振幅、頻率，質(zhì)點(diǎn)間平均距離不因溫度升高而改變，這樣不會(huì)有熱膨脹，顯

24、然與實(shí)際不符，即簡(jiǎn)諧振動(dòng)不能解釋熱膨脹現(xiàn)象，只能揭示熱容的本質(zhì)。那么熱膨脹是怎樣通過(guò)質(zhì)點(diǎn)的熱振動(dòng)產(chǎn)生的哪？（前面講過(guò)，材料各種熱學(xué)性能的物理本質(zhì)，均與晶格熱振動(dòng)有關(guān)）。 2.熱膨脹的物理本質(zhì)（機(jī)理） 實(shí)際上物體溫度升高，由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加劇，將引起質(zhì)點(diǎn)平均距離增大，從而導(dǎo)致物體熱膨脹。(1)雙原子模型（從臨近質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力解釋）P18 圖1.16、1.17 先討論相鄰兩質(zhì)點(diǎn)，以左質(zhì)點(diǎn)為參照位置。兩質(zhì)點(diǎn)間存在著相互作用力： 引力異性電荷之間的庫(kù)侖吸引力。 斥力同性電荷之間的庫(kù)侖排斥力泡利不相容原理引起的斥力。 引力與斥力都與質(zhì)點(diǎn)間距有關(guān)：引力與斥力都隨質(zhì)點(diǎn)間離減小而增大，但兩力不簡(jiǎn)單地與位移成

25、正比。隨間距減小增大速度不同，斥力增加快，合力曲線斜率不等（平衡位置左側(cè)大，右側(cè)?。?，所以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)其平均位置不在振動(dòng)的平衡位置，而靠右。溫度升高，振幅增大，其平均位置偏離平衡位置靠右的距離越大，兩質(zhì)點(diǎn)間的距離增大，晶胞參數(shù)增大，物體膨脹。(2)用勢(shì)能曲線解釋 P19 圖1.18 圖1.18為質(zhì)點(diǎn)相作用的位能曲線（圖中虛線），圖中平行的橫線代表不同的溫度。任一溫度下，質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置動(dòng)能最大，勢(shì)能為零；在左右最遠(yuǎn)距離勢(shì)能最大，動(dòng)能為零。隨溫度升高，質(zhì)點(diǎn)振幅增大，左右側(cè)最大勢(shì)能都增加，但由于斥力增加的快，左側(cè)勢(shì)能增加較右側(cè)快，形成了勢(shì)能曲線的不對(duì)稱。因此，隨溫度的升高，質(zhì)點(diǎn)的中心位置右移，質(zhì)點(diǎn)間

26、的距離增大，物體膨脹。2.熱膨脹的物理本質(zhì)（機(jī)理）1.與熱容之間的關(guān)系 格律乃森定律：物體的膨脹系數(shù)與定容熱容成正比（表達(dá)式見(jiàn)式1.40、1.41）。它們有相似溫度依賴關(guān)系，在低溫下隨溫度升高急劇增大，而到高溫則趨于平緩。圖1.19是鋁根據(jù)其理論關(guān)系所得的曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，基本一致。 原因：固體的熱膨脹實(shí)質(zhì)上是由于材料溫度升高晶格熱振動(dòng)加劇引起的。振幅增加越大，熱膨脹越大，同時(shí)振動(dòng)能量越大。而晶格熱振動(dòng)加劇，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能量增加，升高單位溫度能量的增加值正是熱容的定義。2.與原子結(jié)合能、熔點(diǎn)之間的關(guān)系 熱膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)、原子間結(jié)合能、德拜溫度的平方成反比。 原因：固體材料的熱膨脹與晶體點(diǎn)陣中質(zhì)

27、點(diǎn)的位能性質(zhì)有關(guān)，質(zhì)點(diǎn)的位能性質(zhì)又由質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力特性決定。原子間結(jié)合力越強(qiáng)的材料，其位阱越深而狹（位能隨質(zhì)點(diǎn)位移變化陡峭），升高同樣溫度，振幅增加越小，因此熱膨脹系數(shù)小。 一般，晶體結(jié)構(gòu)類型相同時(shí)，結(jié)合能大的物質(zhì)熔點(diǎn)高，所以熔點(diǎn)高的物質(zhì)膨脹系數(shù)小。單質(zhì)的熔點(diǎn)與元素周期表存在一定規(guī)律，所以膨脹系數(shù)與周期表也有相應(yīng)關(guān)系。如：三、熱膨脹與其它物理性能之間的關(guān)系1.鍵強(qiáng)： 鍵強(qiáng)越大的材料膨脹系數(shù)越小，如陶瓷為共價(jià)或離子鍵，膨脹系數(shù)小。2.晶體結(jié)構(gòu)： 化學(xué)組成同，但晶體結(jié)構(gòu)不同，如石英玻璃與多晶石英。哪個(gè)大？ 結(jié)構(gòu)緊密的晶體大，類似非晶態(tài)玻璃那樣結(jié)構(gòu)松散的材料小。因結(jié)構(gòu)疏松的材料內(nèi)部空隙較多，溫度升高

28、，質(zhì)點(diǎn)振幅增大，質(zhì)點(diǎn)間距離的增大部分被結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙所容納，整個(gè)材料宏觀上小。 多晶石英：12106K 1； 石英玻璃：0.5106K 13.非等軸晶系的晶體 單晶體各晶軸方向不同，最顯著的是層狀結(jié)構(gòu)材料。如石墨層內(nèi)結(jié)合力強(qiáng)，小，1106K 1，層間結(jié)合力弱得多，大，27106K 1 。 多晶金屬材料，往往存在微晶的擇優(yōu)取向，在一定程度上表現(xiàn)出單晶的各相異性；一般結(jié)構(gòu)上高度各相異性的材料， V都很小，因此作為優(yōu)良耐熱震材料被廣泛使用。4.相變 材料發(fā)生相變，膨脹特性也發(fā)生明顯變化，不同相變變化特征不同。 原因：材料晶型、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵等都可能發(fā)生明顯變化。四、影響熱膨脹性能的因素5. 合金 單

29、相均勻固溶體合金 溶質(zhì)元素膨脹系數(shù)高于溶劑基體時(shí)膨脹系數(shù)增加；溶質(zhì)元素膨脹系數(shù)低于溶劑基體時(shí)膨脹系數(shù)降低。含量越高影響越大。因此其膨脹系數(shù)介于兩組元之間，隨溶質(zhì)原子濃度變化近似呈直線變化，一般略低于直線值。 溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)高于基體：如Cu-Zn、Sn；Fe-Mn、Sn等。 溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)低于基體：如Ag-Au；Bi-Sb； Fe-Cr、V；Cu-Pd、Ni、Au；Al-Cu、Si、Ni、Fe等。 注意：Cu-Sb例外， Sb膨脹系數(shù)低于Cu，但使Cu膨脹系數(shù)增大，可能與其半金屬性有關(guān)。 多相合金 介于各組成相的膨脹系數(shù)之間，可近似按體積百分?jǐn)?shù)以混合定則粗略估算。6.鋼 取決于組成相特性

30、：奧氏體最高。 鋼中合金元素影響：形成碳化物升高，固溶于鐵素體降低。四、影響熱膨脹性能的因素 熱膨脹系數(shù)是材料的一項(xiàng)重要熱學(xué)性能指標(biāo)，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要意義。1.是決定材料抗熱震性的主要因素。2.陶瓷坯上釉， 二者應(yīng)匹配。釉適當(dāng)小于坯，燒結(jié)冷卻過(guò)程中，釉 層收縮小，使釉層中存在壓應(yīng)力，提高釉層強(qiáng)度，防止裂紋產(chǎn)生。小 的太多也不行，會(huì)使釉層脫落。3.集成電路、電子管、特?zé)羯a(chǎn)中。4.復(fù)合材料制備。5.精密儀器儀表。六、熱膨脹系數(shù)的測(cè)量（自學(xué)）七、膨脹分析的應(yīng)用（自學(xué)）五、熱膨脹在工程中的意義一、熱傳導(dǎo)與熱導(dǎo)率的基本概念與定律1.熱傳導(dǎo)： 不同溫度的物體具有不同的內(nèi)能；同一物體在不同的區(qū)域溫

31、度不等，含有的內(nèi)能不同。這些不同溫度的物體或區(qū)域相互靠近或接觸時(shí)，就會(huì)以熱量的形式交換能量。 當(dāng)材料相鄰部分間存在溫度差時(shí)，熱量從溫度高的區(qū)域自動(dòng)流向溫度低的區(qū)域，這種現(xiàn)象叫熱傳導(dǎo)。 不同的材料導(dǎo)熱性能不同。工程應(yīng)用上，有時(shí)希望材料的導(dǎo)熱性越差越好，如隔熱材料、保溫材料等；有時(shí)希望材料的導(dǎo)熱性越良越好，如散熱器材料、電子信息材料等。在熱能工程、制冷技術(shù)、工業(yè)爐設(shè)計(jì)等諸多技術(shù)領(lǐng)域，材料的導(dǎo)熱性都是非常重要的問(wèn)題。 那么，材料的導(dǎo)熱性能好壞如何定量地比較、衡量哪？需引入“熱導(dǎo)率”的概念。第4節(jié) 材料的熱傳導(dǎo)2.傅里葉定律和熱導(dǎo)率 先分析一下在某一特定材料中的傳熱量與哪些因素有關(guān)： 溫度梯度：沿?zé)崃?/p>

32、方向每單位長(zhǎng)度的溫度變化量， 。矢量，規(guī)定其方向指向溫度升高的方向。 熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)與熱流垂直的單位面積的熱量，以“q”表示。 傅里葉定律：在固體內(nèi)任何一點(diǎn)，熱流密度與溫度梯度成正比，但方向相反，即 即為熱導(dǎo)率，表示單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位截面積的熱量。 則，流過(guò)的與熱流垂直的某一截面的熱量（注意“”的意義）： 導(dǎo)熱率也稱為導(dǎo)熱系數(shù)，標(biāo)志材料本質(zhì)的導(dǎo)熱能力。單位：(根據(jù)其物理意義記）。 注意：利用傅里葉定律計(jì)算傳熱量時(shí)，只適用于穩(wěn)定傳熱過(guò)程，即x方向各處溫度恒定；只適用于各向同性材料，各向異性材料 不是定數(shù)。 金屬比非金屬導(dǎo)熱性能好，氣體是熱的絕緣體。 熱阻率（ ）：熱導(dǎo)率

33、的倒數(shù)。3.熱擴(kuò)散率 前面討論的是穩(wěn)定傳熱過(guò)程，即傳熱過(guò)程中各處溫度不變。但比如工件在加熱爐內(nèi)加熱時(shí)，各部分溫度不斷發(fā)生變化，即為不穩(wěn)定傳熱過(guò)程。加熱過(guò)程中，自工件表面逐漸向內(nèi)部傳熱，這個(gè)工件溫度逐漸達(dá)到一致。那么溫度（熱焓）變化并達(dá)到一致的時(shí)間與哪些因素有關(guān)哪？導(dǎo)熱率、熱容與密度（儲(chǔ)熱能力）、體積形狀。 因此，引入導(dǎo)溫系數(shù)或熱擴(kuò)散率（）的概念：表征材料隨溫度場(chǎng)的變化其溫度變化的速率， 。 為材料的密度，c為比熱容。在加熱或冷卻相同的條件下， 越大的材料各處溫度變化越快，溫差越小，達(dá)到溫度一致的時(shí)間越短。要計(jì)算出經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間才能使工件達(dá)到某一預(yù)定的均勻溫度，就需知道熱擴(kuò)散率。 氣體導(dǎo)熱回憶：依靠

34、分子間的碰撞傳遞能量來(lái)實(shí)現(xiàn)。即氣體中溫度高的分子運(yùn)動(dòng)激烈，能量大；溫度低的分子能量小。通過(guò)碰撞，低能量分子能量升高溫度上升，高能量的分子能量降低溫度下降，從而實(shí)現(xiàn)傳熱。 固體中質(zhì)點(diǎn)只能在其平衡位置附近做微小振動(dòng)，不能象氣體一樣依靠質(zhì)點(diǎn)間的直接碰撞來(lái)傳熱。依靠什么哪？主要依靠晶格振動(dòng)的格波和自由電子?；貞浉癫ǖ母拍睢?二、熱傳導(dǎo)的物理機(jī)制（微觀機(jī)理）1.金屬材料 有大量的自由電子，可迅速實(shí)現(xiàn)傳熱，故一般很大。晶格振動(dòng)對(duì)金屬導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)很次要。2.非金屬材料 自由電子極少，導(dǎo)熱主要依靠晶格振動(dòng)的格波。材料內(nèi)存在溫度差時(shí)，晶格中處于較高溫度的質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)較強(qiáng)烈，其臨近溫度較低的質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)較弱。由于質(zhì)點(diǎn)間

35、存在相互作用力，振動(dòng)較弱的質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng)較強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)的影響下振動(dòng)加劇，能量增加；振動(dòng)較強(qiáng)的振動(dòng)能量降低，使熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移。這樣能量傳遞在整個(gè)材料內(nèi)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)傳熱。 溫度不太高時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)微弱，頻率較低，相鄰質(zhì)點(diǎn)間相位差小，格波頻率低，即主要是聲頻支振動(dòng)，光頻支的能量很微弱，固體非金屬材料導(dǎo)熱光頻支的貢獻(xiàn)可以忽略。 為了研究方便，引入“聲子”的概念，即將晶格振動(dòng)中的能量量子化，聲頻波中的量子稱為聲子。一個(gè)聲子的能量為h，這樣就可將聲頻支振動(dòng)的格波理解為聲子的運(yùn)動(dòng)。把格波與物質(zhì)的相互作用聲子與物質(zhì)的碰撞；把格波傳播遇到的散射聲子與缺陷的碰撞；把理想晶體中熱阻的來(lái)源聲子與聲子的碰撞。1）聲子和聲子傳熱2

36、.非金屬材料 就是說(shuō)熱傳導(dǎo)可理解為聲子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，就像氣體熱傳導(dǎo)中分子之間的碰撞一樣。它們的熱導(dǎo)率應(yīng)具有同樣形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 理想氣體熱導(dǎo)率公式： 。 c:單位氣體比熱容， :氣體分子平均速度， l:氣體分子平均自由程。 1）聲子和聲子傳熱 引申到晶體材料中： c：聲子比熱容， ：聲子平均速度， ：聲子平均自由程。 僅與晶體密度、彈性力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)。 c與 是頻率的函數(shù)，即與溫度有關(guān)。 c：與溫度的關(guān)系即物體熱容與溫度的關(guān)系。 l 的影響因素： 格波中耦合作用（振動(dòng)中的非線性）越強(qiáng)，不同頻率格波傳播中相 互干擾越嚴(yán)重，聲子間碰撞越嚴(yán)重，l減小，熱導(dǎo)率降低。 晶體中缺陷、雜質(zhì)即晶界都

37、會(huì)引起聲子散射， l減小，熱導(dǎo)率降低。 頻率越低，波長(zhǎng)越大，傳播越易繞過(guò)缺陷， l大，熱導(dǎo)率降高。 溫度升高，聲子碰撞機(jī)會(huì)增多， l減小。但減小有限度，高溫下l最 小值為幾個(gè)晶格間距；反之，低溫時(shí)最大為一個(gè)晶粒尺寸。2）光子傳熱 光子： 固體中分子、原子和電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，會(huì)輻射出較高頻率的電磁波。波長(zhǎng)0.440m（可見(jiàn)光與部分近紅外光區(qū)）。 此輻射線稱熱射線，熱射線的傳遞過(guò)程稱熱輻射。由于它們都在光頻范圍，其傳播過(guò)程和光在介質(zhì)中傳播現(xiàn)象類似，也有散射、衍射、吸收、反射和折射，所以可把它們的導(dǎo)熱看做光子在介質(zhì)中傳播。 溫度不太高時(shí)，熱輻射很微弱，但隨溫度升高，熱輻射急劇增大，與

38、T的四次方成正比。光子導(dǎo)熱就不可忽視。 光子導(dǎo)熱仍以 作基本形式。 宏觀解釋：材料中存在溫度梯度時(shí)，兩相鄰體積單元間溫度高的輻射能量大，吸收的能量?。粶囟鹊偷捏w積單元相反，這樣在整個(gè)材料中溫度從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。 對(duì)于光子導(dǎo)熱，輻射透明的介質(zhì)光子l大，反之光子l小。完全不透明的介質(zhì)，光子l為零，輻射導(dǎo)熱可忽略。即還取決于材料光學(xué)性能。 2）光子傳熱 可見(jiàn)，材料依靠晶格熱振動(dòng)的導(dǎo)熱有兩種機(jī)制，即聲子導(dǎo)熱與光子 導(dǎo)熱，溫度不太高時(shí)光子導(dǎo)熱可忽略，高溫時(shí)光子導(dǎo)熱不可忽視。三、熱導(dǎo)率的一般規(guī)律魏得曼-弗蘭茲定律內(nèi)容： 室溫下的許多金屬材料 幾乎相同； 與溫度T成正比 L：稱為洛侖茲數(shù)，2.45 10

39、8W K2 意義： 熱導(dǎo)率的測(cè)定既困難又不準(zhǔn)確，根據(jù)此公式可通過(guò)測(cè)定電導(dǎo)率來(lái)確 定金屬熱導(dǎo)率。四、影響材料的因素 1.溫度: 1)金屬與合金：（自學(xué)） 2)非金屬材料： 溫度不太高時(shí)，聲子導(dǎo)熱占主導(dǎo)，根據(jù)公式 ：基本不隨溫度變化，不考慮。 l：溫度極低時(shí)（020K左右)為上限，一個(gè)晶粒大?。浑S溫度升高l降 低；較高溫度時(shí)趨于下限，幾個(gè)晶格間距。 c：為固體材料熱容隨溫度的變化規(guī)律。因此： 020K左右：l為上限， c正比于T的3次方，故正比于T的3次方。 約2040K：溫度升高， l降， c正比于T的3次方，故隨T升高而升 高，但不是正比于T的3次方。約40800K： c基本恒定， l降， 隨

40、T升高而降低。大于800K： c基本恒定， l為下限， 隨T變化平緩。很高溫度：光子導(dǎo)熱作用強(qiáng)， 隨T升高而升高。 畫出隨溫度變化曲線： 可見(jiàn)，對(duì)于一般的非金屬晶體材料，在常用溫度區(qū)間，隨溫度升而降。2.晶體結(jié)構(gòu)影響復(fù)雜性： 晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)于聲子傳熱格波受到的散射越嚴(yán)重，傳播阻力越大，l降，減小。如MgAl2O4較Al2O4、MgO的小。非等軸晶系： 有各向異性，如石墨，層內(nèi)大。隨溫度升高，各向差減小，因溫度升高，結(jié)構(gòu)趨于對(duì)稱。多晶與單晶 同種材料多晶比單晶小。因多晶中晶界、缺陷多，聲子易散射，自由程減小。隨溫度升高，差值增大，因晶界、缺陷等對(duì)聲子阻礙作用增強(qiáng)，但單晶在溫度升高后光子導(dǎo)熱較

41、多晶明顯。非晶材料 較晶體材料小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因非晶近程有序，可看成晶粒極小的晶體（幾個(gè)晶格間距），為聲子自由程在極低溫度下的下限。即自由程實(shí)際不隨溫度變化，是晶體材料的下限，l小。四、影響材料的因素3.化學(xué)組成的影響 1）構(gòu)成晶體的元素 一般組成元素的原子質(zhì)量越小，晶體密度越小，彈性模量越大，德拜溫度越高，越大。故輕元素固體和結(jié)合能越大的固體較大。如： 2）固溶體： 固溶體形成， 減小。 原因： 趨勢(shì)圖：“U”形。 金屬：4.復(fù)合材料 “S”形。5.氣孔的影響（自學(xué)）6.金屬與合金： 冷加工、固溶強(qiáng)化、多相合金較無(wú)缺陷金屬小。四、熱導(dǎo)率的測(cè)量（自學(xué)）四、影響材料的因素第5節(jié) 材料的熱穩(wěn)定性一、

42、概念與表示方法1.熱穩(wěn)定性材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力（又稱抗熱震性）。不同材料種類材料的熱穩(wěn)定性？無(wú)機(jī)材料及其它脆性材料： 熱穩(wěn)定性較差，制備、加工和使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到環(huán)境溫度起伏的熱沖擊，熱穩(wěn)定性是無(wú)機(jī)材料的一個(gè)重要性能。（工程意義？） 材料受熱沖擊時(shí)的損壞有兩種類型： 抗熱沖擊斷裂性：抵抗熱沖擊時(shí)發(fā)生瞬時(shí)斷裂的能力（玻璃、陶瓷等）； 抗熱沖擊損傷性：熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開(kāi)裂、剝落，并不斷發(fā)展， 最終碎裂或變質(zhì)（含微孔的材料、非均質(zhì)金屬陶瓷等）。注意與高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性的區(qū)別2.表示方法對(duì)于一具體材料，其熱穩(wěn)定性好壞如何衡量哪？工程上，不同材料采用不同的直觀、簡(jiǎn)便的熱穩(wěn)

43、定性評(píng)定方法：日用瓷：一定規(guī)格的試樣加熱到一定溫度立即置于流動(dòng)的室溫水中 急冷。逐次提高溫度和重復(fù)急冷，直至觀測(cè)到試樣發(fā)生龜裂， 以產(chǎn)生龜裂的前一次的溫度來(lái)表征其熱穩(wěn)定性。普通耐火材料:試樣加熱到1123K并保溫40 min 置于283293K的流 動(dòng)水中3min或空氣中510min 重復(fù)這樣的操作，直至 試件失重20。以操作次數(shù)來(lái)表征其熱穩(wěn)定性。高溫陶瓷材料:以加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測(cè)其抗折強(qiáng)度 的損失率來(lái)評(píng)定它的熱穩(wěn)定性。 如制品形狀較復(fù)雜，則在可能的情況下，直接用制品進(jìn)行測(cè)定，以免除形狀和尺寸帶來(lái)的影響。如高壓電瓷的懸式絕緣子等。 對(duì)于無(wú)機(jī)材料尤其是制品的熱穩(wěn)定性，尚需提出一

44、些評(píng)定的因子，以便從理論上分析其機(jī)理和影響因素。二、熱應(yīng)力 無(wú)機(jī)非金屬材料為什么在熱沖擊條件下會(huì)發(fā)生開(kāi)裂、損傷哪？ 其根本原因是材料在受到熱沖擊時(shí)產(chǎn)生熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力（即熱應(yīng)力）超過(guò)了材料力學(xué)極限而引起的。1.熱應(yīng)力的產(chǎn)生LLL 對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的桿件，溫度自T0 T1，膨脹L，若桿件自由膨脹，桿件內(nèi)無(wú)膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力；若兩端剛性約束使其不能伸長(zhǎng)，桿件所受壓應(yīng)力相當(dāng)于把樣品自由膨脹后長(zhǎng)度(L+L)壓縮到L所需力。若T0T1,即冷卻過(guò)程,材料內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力。2.具體材料中熱應(yīng)力的存在 實(shí)際材料中并不是在以上所述兩端固定機(jī)械力的作用下才產(chǎn)生熱應(yīng)力。 多相復(fù)合材料:各相熱膨脹系數(shù)不同,各相膨脹、

45、收縮不一致； 材料內(nèi)存在溫度梯度：相鄰各部分膨脹、收縮不一致產(chǎn)生熱應(yīng)力。如熱 玻璃板投入冷水，表面層收縮大產(chǎn)生張應(yīng)力；內(nèi)層收縮小產(chǎn)生壓應(yīng)力。三、抗熱沖擊斷裂性能1.第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R 玻璃、陶瓷脆性材料為什么在熱沖擊條件下會(huì)發(fā)生瞬時(shí)斷裂哪？ 根據(jù)前面的分析，是由于在熱沖擊時(shí)材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)了材料強(qiáng)度極限引起的。即只要材料表面和中心間最大熱應(yīng)力不超過(guò)f，材料就不會(huì)損壞。 （以熱應(yīng)力f為判據(jù)） 材料表面和中心的溫差越大，內(nèi)應(yīng)力越大。顯然材料所能承受不致斷裂的最大溫差Tmax值愈大，熱穩(wěn)定性越好?？梢杂肨max表征材料熱穩(wěn)定性。 理論計(jì)算得出： 定義R為第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子或第一熱應(yīng)

46、力因子。單位：。 f極限抗拉強(qiáng)度，泊松比，E彈性模量，線膨脹系數(shù)。2.第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R 第一熱應(yīng)力因子只考慮到材料f、E。但材料是否出現(xiàn)熱應(yīng)力斷裂，還與材料中應(yīng)力的分布、產(chǎn)生的速率和持續(xù)時(shí)間，材料的特性（例如塑性、均勻性、馳豫性）以及原先存在的裂紋、缺陷等有關(guān)。因此，R雖然在一定程度上反映了材料抗熱沖擊性的優(yōu)劣，但并不全面。 第二熱應(yīng)力因子又考慮到如下因素：（l）熱導(dǎo)率：愈大，傳熱愈快，熱應(yīng)力很快緩解，對(duì)熱穩(wěn)定有利。（2）材料或制品的厚?。罕〉膫鳠嵬ǖ蓝蹋菀缀芸焓箿囟染鶆?。材料 半厚以rm表示。（3）表面散熱速率（表面熱傳遞系數(shù)）h：材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度 高1K，在單位表面積、

47、單位時(shí)間帶走的熱量。h大，散熱快，內(nèi)外溫 差大，熱應(yīng)力大。如窯內(nèi)進(jìn)風(fēng)，降溫快，會(huì)使制品炸裂。2.第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R 考慮以上三因素，引入畢奧模量：hrm/?？梢?jiàn)，越大，對(duì)熱穩(wěn)定性越不利。 實(shí)際驟冷時(shí)，由于馳豫等因素，材料內(nèi)部產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力是滯后的。 即熱應(yīng)力并不是馬上達(dá)最大值，且隨的不同，熱應(yīng)力會(huì)有不同程度的折減。越小，滯后越多，折減越多。考慮到應(yīng)力折減可導(dǎo)出：定義為第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子。最大溫差 S為形狀系數(shù)，無(wú)限平板S1。3.材料最大冷卻速率與第三熱應(yīng)力因子R 實(shí)際應(yīng)用中，用材料允許的最大冷卻或加熱速率 表征其熱穩(wěn)定性更直接實(shí)用。 對(duì)于無(wú)限平板可導(dǎo)出： 其中 稱為第三熱應(yīng)力因子。

48、 為密度，cp為熱容。四、抗熱沖擊損傷性 抗熱沖擊斷裂，以強(qiáng)度應(yīng)力為判據(jù)，認(rèn)為材料中熱應(yīng)力達(dá)到抗張強(qiáng)度極限后就產(chǎn)生開(kāi)裂。一旦有裂紋成核就會(huì)導(dǎo)致材料的完全破壞。這樣導(dǎo)出的結(jié)果只適用于一般的玻璃、陶瓷和電子陶瓷等。 但對(duì)于含微孔的材料（如粘士質(zhì)耐火制品、建筑磚等）和非均質(zhì)的金屬陶瓷等卻不適用。 這些材料在熱沖擊下產(chǎn)生裂紋時(shí)，在裂紋瞬時(shí)擴(kuò)張過(guò)程中可能被微孔、晶界或金屬相所阻止，如果裂紋的擴(kuò)展、蔓延能抑制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，可能不致引起材料的完全斷裂。如一些筑爐用的耐火磚中，含1020氣孔率時(shí)反而具有最好的抗熱沖擊損傷性。而氣孔的存在會(huì)降低材料的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，而R和R值都要減小。這一現(xiàn)象按強(qiáng)度應(yīng)力理論

49、就不能解釋。凡是以熱沖擊損傷為主的熱沖擊破壞都是如此。 因此，對(duì)抗熱震性問(wèn)題就發(fā)展了第二種處理方式，從斷裂力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，以彈性應(yīng)變能斷裂能為判據(jù)的理論。 即含微孔材料、非均質(zhì)金屬陶瓷熱沖擊情況下，裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及蔓延程度與材料積存的彈性應(yīng)變能和裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能有關(guān)。四、抗熱沖擊損傷性 裂紋產(chǎn)生的動(dòng)力：裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展將釋放彈性應(yīng)變能，減小體系能量； 阻力：裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展將新增斷裂表面能，增大體系能量。 材料內(nèi)積存的彈性應(yīng)變能越小，原裂紋擴(kuò)展可能性越小，抗熱應(yīng)力損傷性越好；裂紋擴(kuò)展所需斷裂表面能越大，裂紋蔓延程度越小，抗熱應(yīng)力損傷性越好。 用彈性應(yīng)變能釋放率倒數(shù)： 比較具有相同斷裂表面能的

50、材料的抗熱沖擊損傷性。 用 比較具有不同斷裂表面能的材料的抗熱沖擊損傷性 、 高的材料抗熱沖擊損傷性能好，它們與E成正比，與成反比。這與 、 、 相反。原因：二者判據(jù)不同。在抗熱應(yīng)力損傷性中，認(rèn)為強(qiáng)度高的材料，原有裂紋在熱應(yīng)力的作用下容易擴(kuò)展蔓延，對(duì)熱穩(wěn)定性不利，尤其在一些晶粒較大的樣品中經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情況。斷裂表面能五、提高抗熱沖擊斷裂性能的措施 主要根據(jù)抗熱沖擊斷裂因子所涉及到的各性能參數(shù)對(duì)熱穩(wěn)定性的影響。 1.提高，降低E，使/E 提高 實(shí)際無(wú)機(jī)材料不低，但E很大，尤其是普通玻璃更是如此；金屬材料大E小，例如鎢的斷裂強(qiáng)度比陶瓷高幾十倍。 同種材料晶粒細(xì)，晶界缺陷少，氣孔少而均勻則強(qiáng)度高

51、，抗熱沖擊性好。 2.提高，使 提高 大，內(nèi)外溫差較快得到緩解平衡，減小熱應(yīng)力聚集時(shí)間。金屬材料大，只有BeO可與金屬類比。 3.減小材料熱膨脹系數(shù) 相同溫差，熱應(yīng)力小。如石英玻璃，很小，可作爐管等。 4.減小材料表面散熱系數(shù)h 周圍環(huán)境散熱條件特別重要，如燒成冷卻階段，維持降溫速度，表面不吹風(fēng)。 5.減小材料有效厚度五、提高抗熱沖擊斷裂性能的措施 以上措施是針對(duì)密實(shí)性陶瓷材料、玻璃等，提高抗熱沖擊斷裂性能而言。 但對(duì)多孔、粗粒、干壓和部分燒結(jié)的制品，要從抗熱沖擊損傷性來(lái)考慮。如耐火磚的熱穩(wěn)定不夠，表現(xiàn)為層層剝落，這是表面裂紋、微裂紋擴(kuò)展所致。材料具有高E和低的極限強(qiáng)度，材料具有更低的彈性應(yīng)變

52、能釋放率；另一方面，提高材料的斷裂表面能。小結(jié) 1.材料的熱穩(wěn)定性（抗熱震性能） 為什么說(shuō)它是無(wú)機(jī)非金屬材料的一項(xiàng)重要性能？ 2. 材料受熱沖擊損壞的兩種類型 分別適用于哪些材料？ 3. 工程上評(píng)定“日用瓷”、“普通耐火材料”、“高溫陶瓷材料”熱穩(wěn)定性好 壞通常分別采用的方法 4.材料受熱沖擊損壞的根本原因 5. 熱應(yīng)力及其產(chǎn)生 6. 材料抗熱沖擊斷裂的判據(jù)，第一、二、三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子。 畢奧模量的概念。 7.材料抗熱沖擊損傷的判據(jù)，兩個(gè)抗熱應(yīng)力損傷因子。 8. 提高抗熱沖擊斷裂性能的措施1.解釋名詞：格波、熱導(dǎo)率、熱應(yīng)力2.為什么說(shuō)材料熱學(xué)性能的物理本質(zhì)都與晶格熱振動(dòng)有關(guān)?3.為什么玻璃

53、的熱導(dǎo)率常低于晶態(tài)固體幾個(gè)數(shù)量級(jí)？4.什么是材料的熱穩(wěn)定性？如何提高材料的熱穩(wěn)定性？第一章 作業(yè)第二章 材料的電學(xué)性能第1節(jié) 材料的導(dǎo)電性一、電阻與電導(dǎo)基本概念 歐姆定律： 材料的電阻： 即材料的電阻與材料本性、尺寸有關(guān)。與長(zhǎng)度成正比，與截面積成反比。 其中稱電阻率或比電阻，材料單位截面積、單位長(zhǎng)度的電阻。 國(guó)際單位： ，只與材料本性有關(guān)，與其尺寸無(wú)關(guān)，用來(lái)評(píng)價(jià)不同材料的導(dǎo)電性能好壞。 電導(dǎo)率：電阻率的倒數(shù)，電導(dǎo)率越大，材料導(dǎo)電性越好。二、不同材料的導(dǎo)電性為什么不同材料之間導(dǎo)電性具有如此巨大的區(qū)別哪？可用能帶理論解釋。 導(dǎo) 體： 10 。 其中 純金屬：10 10 合金：10 10 。 半導(dǎo)體

54、：在10 10 。 絕緣體：10 。 元素周期表中： A、B族內(nèi)殼層軌道填滿電子，最外層有1個(gè)s電子，具有最小的； 過(guò)渡金屬：大得多； B族： 范圍很寬。58775399第2節(jié) 晶體的能帶一、能帶理論及有關(guān)概念： 能帶理論認(rèn)為，晶體中價(jià)電子是公有化的，其能量是量子化的，每個(gè)能級(jí)只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。由于晶體中電子能級(jí)間的間隙很小，可以把能級(jí)分布看成是準(zhǔn)連續(xù)的，稱為能帶。 但離子點(diǎn)陣所造成的勢(shì)場(chǎng)是不均勻的，電子在周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，隨位置變化其能量也呈周期性變化，接近正離子時(shí)勢(shì)能減小，離開(kāi)時(shí)能量增大。這樣價(jià)電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)就不是完全自由的，而受周期場(chǎng)的作用，并可能使價(jià)電子以不同能態(tài)分布的

55、能帶發(fā)生分裂，即某些能態(tài)電子不能取值。 能帶分裂的寬度叫能隙； 能帶對(duì)應(yīng)的能隙叫禁帶； 相應(yīng)地將電子可以取值的能級(jí)所組成的能帶稱為價(jià)帶； 價(jià)帶中未被填充電子的能級(jí)叫空能級(jí)； 具有空能級(jí)價(jià)帶中的電子是自由的，在外電場(chǎng)的作用下參與導(dǎo)電，這樣的價(jià)帶叫導(dǎo)帶。被填滿電子的價(jià)帶叫滿帶，滿帶中的電子無(wú)活動(dòng)余地，不能參與導(dǎo)電。二、能帶理論解釋導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體間導(dǎo)電性的區(qū)別：導(dǎo)體：價(jià)帶與導(dǎo)帶重疊，無(wú)禁帶。 或價(jià)帶未被電子填滿，這種價(jià)帶本身即為導(dǎo)帶。 這兩種情況下價(jià)電子都是自由的，就像金屬具有大量的 這樣的自由電子，所以具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶（導(dǎo)帶）半導(dǎo)體和絕緣體：滿價(jià)帶和空導(dǎo)帶之間具有禁帶。半導(dǎo)體

56、：禁帶寬度小，在熱、光等作用下，滿帶中的部分電子有可能獲得足夠的能量而越過(guò)禁帶到達(dá)其上面的空帶形成導(dǎo)帶，且滿帶中出現(xiàn)了電子留下的空穴。導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)產(chǎn)生電流。參加導(dǎo)電的電子和空穴濃度相等，稱本征導(dǎo)電，這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性影響很大，如Si中摻入十萬(wàn)分之一的B，其導(dǎo)電性提高14倍。絕緣體：禁帶寬度很大，電子很難越過(guò)禁帶到達(dá)其上面的空帶，外電場(chǎng)的作用下幾乎不產(chǎn)生電流。價(jià)帶禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶導(dǎo)帶第3節(jié) 金屬的導(dǎo)電性一、金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則 用量子理論和能帶理論可導(dǎo)出所有材料的電導(dǎo)率： 此式完整地反應(yīng)了晶體導(dǎo)電的物理本質(zhì)。 量子力學(xué)可以證明

57、，當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過(guò)一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣時(shí)，它將不會(huì)受到散射而無(wú)阻礙地傳播，即 無(wú)窮大，這時(shí)0，而為無(wú)窮大，即此時(shí)的材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體。 材料電阻產(chǎn)生的本質(zhì)：晶體點(diǎn)陣離子的熱振動(dòng)及晶體點(diǎn)陣的不完整性（晶體中異類原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等）使晶體點(diǎn)陣的周期性遭到破壞，晶體中的電子波就會(huì)受到散射， 減小，導(dǎo)電性降低。 令 為散射系數(shù)，可導(dǎo)出： 即材料的電阻與散射系數(shù)成正比。 金屬電阻隨溫度升高而升高原因： 金屬材料隨溫度升高，離子熱振動(dòng)的振幅增大，電子就愈易受到散射，可認(rèn)為與溫度成正比，則也與溫度成正比。 金屬電阻包括： （1）基本電阻(T) ：對(duì)應(yīng)聲子散射和電子散射兩機(jī)制，由熱 振動(dòng)產(chǎn)生，與溫度

58、有關(guān)，0K時(shí)為0。 （2）殘余電阻殘 ：對(duì)應(yīng)電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射機(jī)制， 0K 時(shí)金屬的電阻。反應(yīng)了金屬純度和完整性。 馬基申定律 馬基申等人把固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率(T)和殘余電阻殘組成。 即（T）殘 稱為馬基申定律。 馬基申定律忽略了電子各種散射機(jī)制間的交互作用，但簡(jiǎn)明描述了合金的導(dǎo)電性，低濃度固溶體與實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合的很好。 根據(jù)馬基申定律，在高溫時(shí)金屬的電阻率基本上取決于(T) ，而在低溫時(shí)取決于殘。既然殘是電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射引起的，那么殘的大小就可以用來(lái)評(píng)定金屬的電學(xué)純度。 考慮到殘測(cè)量困難，實(shí)際上常采用相對(duì)電阻率(300K)/ (4.2K)的大小來(lái)評(píng)定金屬的電學(xué)純度。

59、晶體越純、越完善，相對(duì)電阻率越大。許多完整的金屬單晶相對(duì)電阻率可高達(dá)20000。 一、金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則二、影響金屬導(dǎo)電性的因素 1. 溫度 加熱時(shí)出現(xiàn)相變、回復(fù)、空位、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，這些都對(duì)金屬材料的電阻產(chǎn)生重要影響。 測(cè)量電阻與溫度的關(guān)系是研究這些現(xiàn)象和過(guò)程的一個(gè)重要方法。 (1)一般規(guī)律 絕對(duì)零度下純凈又無(wú)缺陷的金屬電阻率等于零，隨溫度升高金屬電阻率增加。理想晶體的電阻率是溫度的單值函數(shù)，若晶體中存在雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，電阻率與溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化。 (T)與D 之間的關(guān)系 (T)在D 以上和以下與溫度有不同的函數(shù)關(guān)系： T D 時(shí)： T D時(shí)： 因此，當(dāng)研制

60、具有一定電阻值和電阻溫度系數(shù)值的材料時(shí)，知道金屬在哪個(gè)溫區(qū)工作，怎樣控制和發(fā)揮其性能非常重要。 1. 溫度對(duì)純金屬導(dǎo)電性影響（1） 電阻溫度線性關(guān)系及電阻溫度系數(shù) 室溫和更高溫度下(T 2/3D ）： 過(guò)渡族以外的金屬 4103 過(guò)渡族金屬特別是磁性金屬較大，如鐵的6103 真電阻溫度系數(shù) 極低溫時(shí)（約2K以下） 電阻與溫度的平方成正比。 普通非過(guò)渡族金屬的電阻與溫度的 關(guān)系見(jiàn)右圖。 (2)過(guò)渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變 過(guò)渡族金屬電阻與溫度間有著復(fù)雜的關(guān)系。 原因：在過(guò)渡族金屬中存在著不同的載體，傳導(dǎo)電子有可能從s-殼層向d-殼層過(guò)渡，可能對(duì)電阻帶來(lái)明顯的影響。 另外，在T D 時(shí)，s態(tài)電子在d態(tài)電