材料物理第三節(jié)熱膨脹

材料物理第三節(jié)熱膨脹第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院一、熱膨脹定義物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。熱膨脹采用線膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)來表示。①線膨脹系數(shù)：即溫度升高1K時，物體的相對伸長。用表示。平均線膨脹系數(shù)取極限T溫度真線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)的單位為K-1。第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院②體積膨脹系數(shù)：溫度升高1K時物體體積相對增長值。用表示。對于各向同性的材料，對于各向異性的材料，設(shè)各方向線膨脹系數(shù)為第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院注意：①固體的熱膨脹系數(shù)不是一個常數(shù)，通常隨溫度升高而增大；②無機(jī)材料熱膨脹系數(shù)較小，約為10-5-10-6K-1；各種金屬和合金約為10-5-10-6K-1；鋼的熱膨脹系數(shù)(10-20)×10-6K-1；③材料線膨脹系數(shù)一般用平均線膨脹系數(shù)表征。二、熱膨脹機(jī)理在晶格振動理論中，將勢能函數(shù)在平衡位置展成級數(shù)：第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院按一般簡諧振動把近似互作用能保留到二次項則有rU(r)r0考慮非簡諧效應(yīng)第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院①受力不對稱溫度升高,振幅增大,質(zhì)點在平衡位置受力不對稱情況越顯著,平衡位置向右移動越多,相鄰質(zhì)點間平均距離就增加得越多,導(dǎo)致原子間距增大,晶體膨脹.第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院②位能不對稱溫度升高,平均位置移動越遠(yuǎn),原子平均距離就增加得越多,產(chǎn)生晶體膨脹.此外,晶體中各種熱缺陷的形成也會造成晶格畸變和膨脹,在高溫尤為重要。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三、熱膨脹與其他性能的關(guān)系1、熱膨脹與熱容的關(guān)系由于二者引起的機(jī)理一致，故變化趨勢相同。但高溫下由于熱平衡缺陷，造成點陣畸變，故α增大較顯著。Al2O3

的比熱容、線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2、熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系其中：Tm—熔點；VTm—熔點時的體積；V0—0K時的體積；C—不同材料的值不同。晶體的結(jié)構(gòu)類型相同時，結(jié)合能越大，熔點越高，而α越小。格留乃申方程反映了這種相反的變化趨勢：第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四、影響熱膨脹系數(shù)的因素①鍵強(qiáng)度鍵強(qiáng)度高的材料，具有低的熱膨脹系數(shù)；②晶體結(jié)構(gòu)對于成分相同的材料，結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)較大，而類似非晶態(tài)玻璃結(jié)構(gòu)比較松散的材料，具有較小的熱膨脹系數(shù)；③晶軸方向?qū)τ诜堑容S晶系的晶體，晶軸方向不同，熱膨脹系數(shù)不同；致密的晶體學(xué)方向，α小。如石墨的垂直于C軸的層間膨脹系數(shù)較小，而平行于C軸的垂直層的膨脹系數(shù)較大；第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院④相變相變伴隨的點陣重構(gòu)引起附加的⊿L，而α∝⊿L/⊿T第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院⑤合金的溶質(zhì)元素由簡單金屬與非鐵磁性金屬組成的單相均勻固溶體合金的膨脹系數(shù)一般介于兩組元膨脹系數(shù)之間，且隨溶質(zhì)原子濃度的變化呈直線式變化。加入錳和錫使鐵膨脹系數(shù)增大，而加入鉻和釩使鐵的膨脹系數(shù)變小。⑥相組成、合金成分多相合金的膨脹系數(shù)僅取決于組成相性質(zhì)和數(shù)量，介于各組成相膨脹系數(shù)之間，可近似按各相所占體積百分?jǐn)?shù)，依混合定則粗賂估算。第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院五、熱膨脹系數(shù)測定及應(yīng)用1、熱膨脹系數(shù)測定關(guān)鍵是如何將微小的△L放大？①機(jī)械放大：利用千分表將將試樣伸長量△L放大。如：頂桿式膨脹儀②光學(xué)放大：利用光杠桿，通過光線偏轉(zhuǎn)角度將試樣伸長量△L放大。如光學(xué)膨脹儀。

③電磁放大：將△L轉(zhuǎn)換為△V以后放大。如差動變壓器法第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院實驗室中的熱膨脹儀第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

光杠桿結(jié)構(gòu)示意圖1.1光學(xué)放大：第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

差動變壓器膨脹儀結(jié)構(gòu)示意圖左圖：差動變壓器原理圖；右圖：儀器結(jié)構(gòu)圖1.2電磁放大：第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2、熱膨脹應(yīng)用陶瓷和釉的膨脹系數(shù)要適應(yīng)。釉的膨脹系數(shù)要小于陶瓷的膨脹系數(shù)，但不能小太多。精密儀表零件、電子封裝器件等需要防止膨脹，以提高儀器精度。第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)熱膨脹聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院熱膨脹法確定鋼相變的臨界點研究相變溫度相變時，組織轉(zhuǎn)變會附加體積效應(yīng)，從而使膨脹曲線產(chǎn)生拐折。第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院一、熱傳導(dǎo)定義二、熱傳導(dǎo)微觀機(jī)理三、影響熱傳導(dǎo)性能的因素四、熱導(dǎo)率測定及應(yīng)用第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院一、熱傳導(dǎo)定義當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時，熱量就會從熱端自動傳向冷端，這個現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。對于各向同性物質(zhì)，熱傳導(dǎo)滿足傅里葉定律：xΔST2T1T2>T1熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)，其物理意義是指在一定的溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，單位為J/(m·s·K)或W/(m·K)。第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院負(fù)號表示傳遞的熱量Q與溫度梯度具有相反的符號當(dāng)＜0時，Q＞0，熱量沿x軸正方向傳遞；＞0時，Q＜0，熱量沿x軸負(fù)方向傳遞。注意：傅立葉定律，它只適用于穩(wěn)定傳熱的條件，即二、熱傳導(dǎo)微觀機(jī)理氣體的傳熱是依靠分子的碰撞來實現(xiàn)的，但固體材料中的質(zhì)點都處在一定位置上，并且只能在平衡位置附近作微小振動，所以不能像氣體那樣依靠質(zhì)點間的直接碰撞來傳遞熱能。第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院固體中的導(dǎo)熱主要是由晶格振動的格波、自由電子的運動以及熱輻射來實現(xiàn)。注意：材料不同，導(dǎo)熱方式不同。如對于金屬材料，由于有大量的自由電子存在，所以主要靠自有電子運動實現(xiàn)熱量的傳遞，因此金屬一般都具有較大的熱導(dǎo)率(晶格振動對金屬導(dǎo)熱也有貢獻(xiàn)，只是相比起來是很次要的)。但對于非金屬材料，如一般離子晶體，晶格中自由電子極少，所以晶格振動是它們的主要導(dǎo)熱機(jī)制。1、聲子熱導(dǎo)晶格振動格波能量子—聲子第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院晶格熱振動看成是“聲子氣體”，平均聲子數(shù)為：聲子數(shù)密度大聲子數(shù)密度小擴(kuò)散低溫區(qū)高溫區(qū)晶格熱傳導(dǎo)可以看成是“聲子”擴(kuò)散和碰撞運動的結(jié)果。同樣可以利用氣體分子的熱傳導(dǎo)公式來作為晶格熱傳導(dǎo)的公式。CV單位體積熱容，l---聲子自由程，聲子平均速度(常取固體中聲速)。第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院由于固體熱容和平均自由程都是聲子振動頻率的函數(shù)，所以：注意：因為晶格熱振動非簡諧效應(yīng)的存在，格波間有一定的耦合作用，聲子間會產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致聲子的平均自由程減小。格波間相互作用愈大，聲子間碰撞幾率愈大，相應(yīng)的平均自由程愈小，熱導(dǎo)率也就愈低，因此這種聲子間碰撞引起的散射是晶體中熱阻的主要來源。第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2、光子熱導(dǎo)固體具有能量，會輻射出頻率較高的電磁波，這類電磁波頻譜較寬，其中波長在0.4—40μm間的可見光與部分紅外光稱為熱射線。熱射線的傳遞過程也稱為熱輻射。由于它們都在光頻范圍內(nèi)，所以熱射線的導(dǎo)熱過程可以看作是光子導(dǎo)熱。理論證明，溫度T時單位體積絕對黑體的輻射能ET為式中：為斯帝芬-波爾茨曼常數(shù)；折射率；光速第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院由于輻射傳熱中容積熱容Cv,m相當(dāng)于提高輻射溫度所需的能量又輻射線在介質(zhì)中速度可以發(fā)現(xiàn)λ描述介質(zhì)中這種輻射能的傳遞能力的參量，取決于輻射能傳播過程中光子的平均自由程l。第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對于輻射線是透明的介質(zhì)，l較大，光子導(dǎo)熱率較大；對于輻射線是不透明的介質(zhì)，l較小，光子導(dǎo)熱較??；對于輻射線是完全不透明的介質(zhì)，l=0，光子導(dǎo)熱可以忽略。3、自由電子引起的電子熱導(dǎo)大量的自有電子可以看做自有電子氣，與氣體分子通過碰撞導(dǎo)熱的過程類似，其電子熱導(dǎo)率具有如下形式：注意：對于純金屬主要考慮電子導(dǎo)熱，對于合金還要考慮聲子導(dǎo)熱。第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三、影響熱傳導(dǎo)性能的因素1、溫度的影響1)高溫時，T>>D基本與溫度無關(guān)，Cv和與溫度密切相關(guān)2)低溫時，T<<D第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院因為在實際晶體中存在雜質(zhì)和缺陷，聲子的平均自由程不會非常大。對于完整的晶體，(D為晶體線度)。低溫時：圖8-15單晶Al2O3溫度－熱導(dǎo)率曲線第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院由于拐點溫度在40K左右，所以對于晶體材料，在常用溫度范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率隨溫度的上升而下降。第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2、晶體結(jié)構(gòu)的影響①聲子傳導(dǎo)與晶格振動的非諧振有關(guān)，晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動的非諧振性程度越大，格波受到的散射越大，因此聲子平均自由程

l

越小，熱傳導(dǎo)率越低。②對于非等軸晶系的晶體，熱導(dǎo)率也存在著各向異性的性質(zhì)。③同一種材料，多晶體的熱導(dǎo)率總是小于單晶體。第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院④非晶態(tài)材料的熱導(dǎo)率較小，隨著溫度升高，熱導(dǎo)率稍有增大。第32頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3、化學(xué)組成的影響①組成元素相對原子質(zhì)量愈小，楊氏模量愈大，德拜溫度愈高，則熱導(dǎo)率λ愈大；

②固溶體的形成同樣降低熱導(dǎo)率；

第33頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)熱傳導(dǎo)聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院4、復(fù)相材料的熱導(dǎo)率復(fù)相材料中包括連續(xù)相和分散相，其熱導(dǎo)率表示如下：式中：分別為連續(xù)相熱導(dǎo)率、分散相熱導(dǎo)率和分散相體積分?jǐn)?shù)。