《材料性能學(xué)》第2版全套PPT課件

《材料性能學(xué)》第2版全套PPT課件,材料性能學(xué),材料,性能,全套,PPT,課件 LOGO定義：定義：由于材料及其制品都是在一定的溫度環(huán)境下使用的，在使用過程中，將對不同由于材料及其制品都是在一定的溫度環(huán)境下使用的，在使用過程中，將對不同的溫度做出反映，表現(xiàn)出不同的熱物理性能，這些熱物理性能稱為材料的熱學(xué)性能。的溫度做出反映，表現(xiàn)出不同的熱物理性能，這些熱物理性能稱為材料的熱學(xué)性能。材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能LOGO復(fù)合玻璃纖維板（保溫材料）復(fù)合玻璃纖維板（保溫材料）暖通空調(diào)領(lǐng)域的早期應(yīng)用，暖通空調(diào)領(lǐng)域的早期應(yīng)用，主要發(fā)揮了它作為保溫材料主要發(fā)揮了它作為保溫材料的熱學(xué)性能。的熱學(xué)性能。保溫材料保溫材料保溫氈保溫氈保溫材料保溫材料硅酸鋁制品硅酸鋁制品 LOGO熱傳導(dǎo)材料熱傳導(dǎo)材料導(dǎo)熱絕緣材料導(dǎo)熱絕緣材料 熱傳導(dǎo)膠帶熱傳導(dǎo)膠帶 鋁合金散熱器鋁合金散熱器 導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油LOGO熱膨脹的避免熱膨脹的避免石英陶瓷石英陶瓷快速模具快速模具陶陶瓷瓷閥閥第一節(jié)第一節(jié) 熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)1 1、晶格熱振動、晶格熱振動 固體材料的各種熱學(xué)性能的物理本質(zhì)，均與構(gòu)成材料的質(zhì)點（原子、離子）熱固體材料的各種熱學(xué)性能的物理本質(zhì)，均與構(gòu)成材料的質(zhì)點（原子、離子）熱振動有關(guān)。振動有關(guān)。晶體點陣中的質(zhì)點（原子、離子）總是圍著平衡位置作微小振動，稱為晶體點陣中的質(zhì)點（原子、離子）總是圍著平衡位置作微小振動，稱為晶格晶格熱振動，熱振動，晶格振動是三維的，即可以將其簡單分解成晶格振動是三維的，即可以將其簡單分解成3個方向的線性振動。個方向的線性振動。Department of Chemistry and Material and Engineeringr斥力引力ro合力Department of Chemistry and Material and Engineering n-2 n-1 n n+1 n+2 n+3 xn-2 xn-1 xn xn+1 xn+2 xn+3牛頓第二定律：牛頓第二定律：物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比-原子運動方程每個質(zhì)點都有一定振動頻率每個質(zhì)點都有一定振動頻率3 3、彈性波彈性波 (又稱格波又稱格波)由于材料質(zhì)點間有著很強的相互作用力，因此一個質(zhì)點的振動會由于材料質(zhì)點間有著很強的相互作用力，因此一個質(zhì)點的振動會影響鄰近點的振動，使相鄰質(zhì)點間的振動存在著一定的位相差，并形影響鄰近點的振動，使相鄰質(zhì)點間的振動存在著一定的位相差，并形成成彈性波彈性波的形式的形式(又稱格波又稱格波)在整個材料內(nèi)傳播。彈性波是多頻率振動在整個材料內(nèi)傳播。彈性波是多頻率振動的組合波。的組合波。2 2、熱量、熱量 各質(zhì)點熱運動時動能的總和，為該物體的熱量，即各質(zhì)點熱運動時動能的總和，為該物體的熱量，即 （1 1）聲頻支振動：）聲頻支振動：振動著的質(zhì)點中包含頻率甚低的格波，質(zhì)點彼此之間振動著的質(zhì)點中包含頻率甚低的格波，質(zhì)點彼此之間的的位相差不大位相差不大，則格波類似于彈性體中的應(yīng)變波。，則格波類似于彈性體中的應(yīng)變波。（2）光頻支振動：）光頻支振動：格波中頻率甚高的振動波，質(zhì)點間的格波中頻率甚高的振動波，質(zhì)點間的位相差很大位相差很大，鄰，鄰近質(zhì)點的運動幾乎相反時，頻率往往在紅外光區(qū)。近質(zhì)點的運動幾乎相反時，頻率往往在紅外光區(qū)。圖8-1 一維雙原子點陣中的格波（a）聲頻支 （b）光頻支 第二節(jié)第二節(jié) 熱容熱容 熱容是在沒有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高熱容是在沒有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1 1K時所吸時所吸收的能量收的能量，它反映材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力。同一種材料在，它反映材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力。同一種材料在不同溫度時的比熱容也往往不同。不同溫度時的比熱容也往往不同。一、熱容的基本概念一、熱容的基本概念熱容的分類熱容的分類q 比熱容比熱容 q 平均熱容平均熱容 q摩爾熱容摩爾熱容q 恒壓熱容恒壓熱容q 恒容熱容恒容熱容12TTQC均pppTHTQC=一般有一般有 Cp Cv，Cp測定簡單，測定簡單，Cv更有理論意更有理論意義。它們間的關(guān)系為：義。它們間的關(guān)系為：容積熱膨脹系數(shù)容積熱膨脹系數(shù) 三向靜力壓縮系數(shù)三向靜力壓縮系數(shù) 固體材料熱容的經(jīng)驗定律固體材料熱容的經(jīng)驗定律 元素?zé)崛荻稍責(zé)崛荻?杜隆杜隆-珀替定律珀替定律 化合物定律化合物定律-柯普定律柯普定律)/(253KmolJRCp=iiCnC“恒壓下元素的原子熱容等于恒壓下元素的原子熱容等于25J(K mol)”“化合物分子熱容等于構(gòu)成化合物分子熱容等于構(gòu)成 此化合物各元素原子熱容之和此化合物各元素原子熱容之和”多相復(fù)合材料的熱容約等于構(gòu)成該復(fù)合材料的物質(zhì)的熱容之和多相復(fù)合材料的熱容約等于構(gòu)成該復(fù)合材料的物質(zhì)的熱容之和 C=giCi式中，式中，gi：材料中第：材料中第i種組成的重量百分?jǐn)?shù)，種組成的重量百分?jǐn)?shù)，ci：材料中第：材料中第i種種組成的比熱容。組成的比熱容。經(jīng)經(jīng)典典熱熱容容理理論論認(rèn)認(rèn)為為，在在固固體體中中可可以以用用諧諧振振子子來來代代表表每每個個原原子子在在一一個個自自由由度度的的振振動動，按按照照經(jīng)經(jīng)典典理理論論能能量量自自由由度度均均分分，每每一一振振動動自自由由度度的的平平均均動動能能和和平平均均位位能能都都為為(1/2)kT，一一個個原原子子有有3個個振振動動自自由由度度，平平均均動動能能和和位位能能的的總總和和就就等等于于3 kT，一個摩爾固體中有，一個摩爾固體中有NA個原子，總能量為個原子，總能量為式中：式中：NA為阿佛加德羅常數(shù)，為阿佛加德羅常數(shù)，6.0231023/mol；T為絕對溫度為絕對溫度(K)；k為波爾茨為波爾茨曼常數(shù)，曼常數(shù)，1.38110-23J/K；R為氣體普適常數(shù)，為氣體普適常數(shù)，8.314J（Kmol)按熱容定義，按熱容定義，1mol單原子固體物質(zhì)的摩爾定容熱容為單原子固體物質(zhì)的摩爾定容熱容為 熱容是與溫度無關(guān)的常數(shù)。這就是杜隆熱容是與溫度無關(guān)的常數(shù)。這就是杜隆-珀替定律的實質(zhì)珀替定律的實質(zhì)。第二節(jié)第二節(jié) 熱容熱容圖 8-2 NaCl的摩爾熱容-溫度曲線杜隆杜隆-珀替定律在高溫時與實驗結(jié)果是很符合的，但在低溫下時卻相差較大珀替定律在高溫時與實驗結(jié)果是很符合的，但在低溫下時卻相差較大。在高溫區(qū)，摩爾熱容的變化很平緩；在低溫區(qū)，在高溫區(qū)，摩爾熱容的變化很平緩；在低溫區(qū)，Cv，m、Cp，mT3；溫；溫度接近度接近0K時，時，Cv，m、Cp，m=0。第二節(jié)第二節(jié) 熱容熱容(1)當(dāng)溫度較高時，即當(dāng)溫度較高時，即TD，CV,m3R，這就是杜隆，這就是杜隆-柏替定律。柏替定律。(2)當(dāng)溫度很低時，即當(dāng)溫度很低時，即TD，則經(jīng)計算：，則經(jīng)計算：這這表表明明當(dāng)當(dāng)T趨趨于于0 K時時，CV,m與與T3成成比比例例地地趨趨于于零零。這這就就是是著著名名的的德拜德拜T立方定律它和實驗結(jié)果十分符合，溫度越低，近似越好。立方定律它和實驗結(jié)果十分符合，溫度越低，近似越好。http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering模型要點：模型要點：（1）認(rèn)為晶體中所有原子都以相同的頻率振動，設(shè)為）認(rèn)為晶體中所有原子都以相同的頻率振動，設(shè)為v0（2）晶格振動能量是量子化的）晶格振動能量是量子化的體系規(guī)定：體系規(guī)定：N個原子組成，共有個原子組成，共有3N個頻率為個頻率為v0的振動的振動(一一).愛因斯坦模型愛因斯坦模型固體熱容的量子理論http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering熱容：熱容：http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering高溫區(qū)：高溫區(qū)：選取合適的選取合適的 E E值，值，T E時時，理論計算的結(jié)果和實驗結(jié)果相符合理論計算的結(jié)果和實驗結(jié)果相符合大多數(shù)固體：大多數(shù)固體：E=100K300K 也有可能低于和高于這個范圍的固體也有可能低于和高于這個范圍的固體 愛因斯坦特征溫度：愛因斯坦特征溫度：http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering低溫區(qū)域，低溫區(qū)域，CV值按指數(shù)規(guī)律隨溫度值按指數(shù)規(guī)律隨溫度T而變化而變化，而不是從實，而不是從實驗中得出的按驗中得出的按T3變化的規(guī)律。變化的規(guī)律。忽略了各格波的頻率差別，其假設(shè)過于簡化。忽略了各格波的頻率差別，其假設(shè)過于簡化。低溫區(qū)：低溫區(qū)：http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering金剛石：金剛石：E=1320K理論值（線）與實驗值（點）比較理論值（線）與實驗值（點）比較低溫范圍內(nèi)，愛因斯坦理論值下降比較陡低溫范圍內(nèi)，愛因斯坦理論值下降比較陡http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering（二）（二）德拜比熱模型德拜比熱模型模型要點：模型要點：（1）考慮了晶體中原子的相互作用，每個原子都有其固有頻率。）考慮了晶體中原子的相互作用，每個原子都有其固有頻率。（2）認(rèn)為晶體中只存在三種彈性波，）認(rèn)為晶體中只存在三種彈性波，二支橫波和一二支橫波和一支縱波支縱波，體系規(guī)定：體系規(guī)定：N N個原子組成，共有個原子組成，共有3N3N個晶格振動模。個晶格振動模。http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering晶體熱容：晶體熱容：g(v)振動頻率分布函數(shù)振動頻率分布函數(shù)http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineeringg(v)振動頻率分布函數(shù)振動頻率分布函數(shù)其中：其中：V 晶體體積晶體體積(球形球形)Cl 橫波熱容橫波熱容Ct 縱波熱容縱波熱容http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering德拜特征溫度德拜特征溫度:令令http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering德拜比熱函數(shù)德拜比熱函數(shù):晶體總的熱容晶體總的熱容:http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering高溫區(qū)：高溫區(qū)：杜隆杜隆珀替定律珀替定律低溫區(qū)：低溫區(qū)：與與T3成正比，德拜定律成正比，德拜定律http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 T/E64.1854.1844.1834.1824.1814.18Cv(J/moloC金剛石熱容的實金剛石熱容的實驗值與計算值的驗值與計算值的比較比較 其中其中 E=1320khttp:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering德拜理論在低溫下也不完全符合事實。主德拜理論在低溫下也不完全符合事實。主要原因是德拜模型把晶體看成是連續(xù)介質(zhì)，要原因是德拜模型把晶體看成是連續(xù)介質(zhì)，這對于原子振動頻率較高部分不適用；而這對于原子振動頻率較高部分不適用；而對于金屬材料，在溫度很低時，自由電子對于金屬材料，在溫度很低時，自由電子對熱容的貢獻(xiàn)亦不可忽略。對熱容的貢獻(xiàn)亦不可忽略。u對金屬而言低溫下熱容基本由對金屬而言低溫下熱容基本由 電子貢獻(xiàn)，正比于電子貢獻(xiàn)，正比于T。u 解釋不了超導(dǎo)現(xiàn)象。解釋不了超導(dǎo)現(xiàn)象。u 對某些化合物的計算結(jié)果與實驗不符，原因在于德對某些化合物的計算結(jié)果與實驗不符，原因在于德拜認(rèn)為拜認(rèn)為D D與溫度無關(guān)，且把晶體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)處與溫度無關(guān)，且把晶體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)處理理。http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering 注：以上有關(guān)熱容的量子理論適用于原子晶體和注：以上有關(guān)熱容的量子理論適用于原子晶體和一部分較簡單的離子晶體。一部分較簡單的離子晶體。熱容的本質(zhì)：熱容的本質(zhì)：反映晶體受熱后激發(fā)出的晶格波與溫度的關(guān)系；反映晶體受熱后激發(fā)出的晶格波與溫度的關(guān)系；對于對于N個原子構(gòu)成的晶體，在熱振動時形成個原子構(gòu)成的晶體，在熱振動時形成3N個振子，個振子，各個振子的頻率不同，激發(fā)出的聲子能量也不同；各個振子的頻率不同，激發(fā)出的聲子能量也不同；溫度升高，原子振動的振幅增大，該頻率的聲子數(shù)目溫度升高，原子振動的振幅增大，該頻率的聲子數(shù)目也隨著增大；也隨著增大；溫度升高，在宏觀上表現(xiàn)為吸熱或放熱，實質(zhì)上是各溫度升高，在宏觀上表現(xiàn)為吸熱或放熱，實質(zhì)上是各個頻率聲子數(shù)發(fā)生變化。個頻率聲子數(shù)發(fā)生變化。http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering圖8-3 CaCO3+SiO2與CaSiO3的熱容-溫度曲線 三、影響材料熱容的因素三、影響材料熱容的因素1、組織結(jié)構(gòu)，影響不大、組織結(jié)構(gòu)，影響不大2、相變、相變焓定義焓定義H=U+pVhttp:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering一般情況下，一般情況下，熱容由容由實驗測定定 可用如下可用如下經(jīng)驗公式：公式：Cp=a+bT+cT-2+.單位位:J.K-1.mol-1（即（即Cal.K-1.mol-1)，其具體數(shù)其具體數(shù)值可可查有關(guān)手冊（注意其適用溫度范有關(guān)手冊（注意其適用溫度范圍）。）。多相復(fù)合材料的多相復(fù)合材料的熱容容約等于構(gòu)成等于構(gòu)成該復(fù)合材料的物復(fù)合材料的物質(zhì)的的熱容之和。容之和。c=gi ci 式中，式中，gi ：材料中第：材料中第i種種組成的重量百分?jǐn)?shù)，成的重量百分?jǐn)?shù)，ci：材料中第：材料中第i種種組成的比成的比熱容。容。http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineeringhttp:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering多相組成材料應(yīng)當(dāng)符合加和關(guān)系，如氣孔耐多相組成材料應(yīng)當(dāng)符合加和關(guān)系，如氣孔耐火材火材料料。材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容量小，熱損耗小，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，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，便于爐體迅速升溫，同需使用輕質(zhì)隔熱磚，便于爐體迅速升溫，同時降低熱量損耗。時降低熱量損耗。1 1混合法測量固體材料的比熱容混合法測量固體材料的比熱容 四、熱容四、熱容(或比熱容或比熱容)的測量的測量混合法混合法電熱法電熱法+假定量熱器與外界沒有熱交換假定量熱器與外界沒有熱交換時的情況。時的情況。實際上只要有溫度實際上只要有溫度差異就必然會有熱交換存在，差異就必然會有熱交換存在，因此，必須考慮如何防止或修因此，必須考慮如何防止或修正熱散失的影響。正熱散失的影響。T 曲管溫度計；曲管溫度計；P 攪拌器攪拌器；J 套筒；套筒；C 量熱器桶；量熱器桶；G 保溫用玻璃棉保溫用玻璃棉 測量時將質(zhì)量為測量時將質(zhì)量為m、溫度為、溫度為T2的試樣投入量熱器的水中，設(shè)量熱器的試樣投入量熱器的水中，設(shè)量熱器的熱容為的熱容為q，其中水的質(zhì)量為，其中水的質(zhì)量為m0，比熱容為，比熱容為C0，待測物投入水中之前的，待測物投入水中之前的水溫為水溫為Tl，在待測物投入水中以后，其混合溫度為，在待測物投入水中以后，其混合溫度為T3，在忽略量熱器與，在忽略量熱器與外界的熱交換的情況下，按照熱平衡原理，待測試樣的比熱容外界的熱交換的情況下，按照熱平衡原理，待測試樣的比熱容C可用下式可用下式表示表示2電熱法測固體的比熱容電熱法測固體的比熱容 2電熱法測固體的比熱容電熱法測固體的比熱容(1)差熱分析差熱分析(differential thermal analysis，DTA)差熱分析是在程序控制溫度下，將被測材料與參比物在相同條件下加熱或差熱分析是在程序控制溫度下，將被測材料與參比物在相同條件下加熱或冷卻，測量試樣與參比物之間溫差冷卻，測量試樣與參比物之間溫差(T)隨溫度隨溫度(T)或時間或時間(t)的變化關(guān)系。的變化關(guān)系。五、熱分析方法的應(yīng)用五、熱分析方法的應(yīng)用1熱分析方法熱分析方法(1)差熱分析差熱分析(differential thermal analysis，DTA)在在DTA試驗中所采用的參比物應(yīng)為試驗中所采用的參比物應(yīng)為熱惰性物質(zhì)熱惰性物質(zhì)。即在整個測試的溫差即在整個測試的溫差范圍內(nèi)它本身不發(fā)生分解、相變、破壞，也不與被測物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，范圍內(nèi)它本身不發(fā)生分解、相變、破壞，也不與被測物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，同時參比物的比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等應(yīng)盡量與試樣接近。如硅酸鹽材料經(jīng)同時參比物的比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等應(yīng)盡量與試樣接近。如硅酸鹽材料經(jīng)常采用高溫煅燒的常采用高溫煅燒的Al2O3、MgO或高嶺石作參比物，鋼鐵材料常用鎳作為或高嶺石作參比物，鋼鐵材料常用鎳作為參比物。參比物。1熱分析方法熱分析方法http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering DTA儀器原理圖儀器原理圖1測量系統(tǒng)；測量系統(tǒng)；2加熱爐；加熱爐；3溫度程序控制器；溫度程序控制器；4記錄儀記錄儀LOGO差熱分析的特征和影響因素差熱分析的特征和影響因素影響分析結(jié)果的因素：升溫速率、樣品體積、加影響分析結(jié)果的因素：升溫速率、樣品體積、加熱爐填充密度、氣氛、熱電偶位置熱爐填充密度、氣氛、熱電偶位置 升溫速率高，則吸熱峰向高溫方向移動。升溫速率高，則吸熱峰向高溫方向移動。發(fā)表數(shù)據(jù)應(yīng)注明測試條件。發(fā)表數(shù)據(jù)應(yīng)注明測試條件。放熱效應(yīng)：氧化、化學(xué)吸附、結(jié)晶等放熱效應(yīng)：氧化、化學(xué)吸附、結(jié)晶等吸熱效應(yīng)：熔化、解吸附、升華等吸熱效應(yīng)：熔化、解吸附、升華等http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering(2)差示掃描量熱法差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry)差示掃描量熱法是在程序溫度控制下用差動方法測量加熱或冷卻過程中，差示掃描量熱法是在程序溫度控制下用差動方法測量加熱或冷卻過程中，在試樣和標(biāo)樣的溫度差保持為零時，所要補充的熱量與溫度和時間的關(guān)系的在試樣和標(biāo)樣的溫度差保持為零時，所要補充的熱量與溫度和時間的關(guān)系的分析技術(shù)分析技術(shù)。一般分為功率補償差示掃描量熱法和熱流式差示掃描量熱法。一般分為功率補償差示掃描量熱法和熱流式差示掃描量熱法。1熱分析方法熱分析方法(3)熱重法熱重法(thermogrivimetry，簡稱，簡稱TG)熱重法是在程序控制溫度下測量材料的熱重法是在程序控制溫度下測量材料的質(zhì)量與溫度關(guān)系質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種分析技術(shù)。的一種分析技術(shù)。把試樣的質(zhì)量作為時間或溫度的函數(shù)記錄分析，得到的曲線稱為熱重曲線。把試樣的質(zhì)量作為時間或溫度的函數(shù)記錄分析，得到的曲線稱為熱重曲線。通過熱重分析可以區(qū)別和鑒定不同的物質(zhì)。通過熱重分析可以區(qū)別和鑒定不同的物質(zhì)。1熱分析方法熱分析方法 通過物質(zhì)在加熱或冷卻過程中出現(xiàn)各種的熱效應(yīng)，如脫水、固通過物質(zhì)在加熱或冷卻過程中出現(xiàn)各種的熱效應(yīng)，如脫水、固態(tài)相變、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等過程中產(chǎn)生放熱或吸熱態(tài)相變、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等過程中產(chǎn)生放熱或吸熱效應(yīng)來進(jìn)行物質(zhì)鑒定，了解物質(zhì)在不同溫度的熱量、質(zhì)量等變化規(guī)效應(yīng)來進(jìn)行物質(zhì)鑒定，了解物質(zhì)在不同溫度的熱量、質(zhì)量等變化規(guī)律是非常重要的材料研究手段。律是非常重要的材料研究手段。1熱分析的應(yīng)用熱分析的應(yīng)用圖8-7 (C)0.74的碳鋼淬火后加熱時的比熱容曲線 1、淬火態(tài)樣品 2、250回火2h的樣品 由淬火馬由淬火馬氏體轉(zhuǎn)變氏體轉(zhuǎn)變成回火馬成回火馬氏體氏體由殘余奧氏體由殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成回火馬轉(zhuǎn)變成回火馬氏體并析出碳氏體并析出碳化鐵化鐵由碳化鐵轉(zhuǎn)由碳化鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體變?yōu)闈B碳體及位錯減少及位錯減少熱分析實驗技巧熱分析實驗技巧-坩堝加蓋與否的選擇坩堝加蓋與否的選擇CaC2O4 H2O CaC2O4+H2OCaC2O4 CaCO3+CO CaCO3 CaO+CO2l線膨脹系數(shù)：線膨脹系數(shù)：l體膨脹系數(shù)：體膨脹系數(shù)：l線膨脹系數(shù)與體膨脹系數(shù)的關(guān)系線膨脹系數(shù)與體膨脹系數(shù)的關(guān)系:第三節(jié)第三節(jié) 熱膨脹熱膨脹 一、熱膨脹的概念及熱膨脹系數(shù)一、熱膨脹的概念及熱膨脹系數(shù) 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。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。Tlll0Da=DTVVV0Da=Dlv3a=a對于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假如分別設(shè)為對于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假如分別設(shè)為a、b、c，則，則 忽略忽略二次方以上的項二次方以上的項 第三節(jié)第三節(jié) 熱膨脹熱膨脹一、熱膨脹的概念及熱膨脹系數(shù)固體材料的膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系固體材料的膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系前前面面我我們們用用原原子子的的簡簡諧諧振振動動解解釋釋了了固固體體的的比比熱熱問問題題，但但晶晶體體的的另另一一些些熱熱學(xué)學(xué)性性能能如如熱熱膨膨脹脹、熱熱傳傳導(dǎo)導(dǎo)則則不不能能用用簡簡諧諧振振動動來來解解釋，必須考慮非簡諧振動釋，必須考慮非簡諧振動。產(chǎn)生線膨脹的原因不是簡諧振動，而是因為原子間的受力產(chǎn)生線膨脹的原因不是簡諧振動，而是因為原子間的受力是不均衡的。質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)，受力不對稱。是不均衡的。質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)，受力不對稱。二、熱膨脹的機理二、熱膨脹的機理 rr0時，合力曲線斜率較小，引力隨時，合力曲線斜率較小，引力隨位移的增大要慢些，在這樣的受力情況位移的增大要慢些，在這樣的受力情況下，質(zhì)點振動時的平均位置就不在下，質(zhì)點振動時的平均位置就不在r0處處而要向右移動。而要向右移動。圖8-10 晶體中質(zhì)點振動非對稱示意圖 圖8-11 Al2O3的比熱容、膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系 溫度升高，溫度升高，增大，與增大，與熱容有相似的規(guī)律熱容有相似的規(guī)律三、三、熱膨脹與其他性能的關(guān)系熱膨脹與其他性能的關(guān)系1、熱膨脹與熱容的關(guān)系、熱膨脹與熱容的關(guān)系2熱膨脹和結(jié)合能、熔點的關(guān)系熱膨脹和結(jié)合能、熔點的關(guān)系 固體材料的熱膨脹與點陣中質(zhì)點的位能有關(guān)，而質(zhì)點的位能是由固體材料的熱膨脹與點陣中質(zhì)點的位能有關(guān)，而質(zhì)點的位能是由質(zhì)點間的結(jié)合力特性所決定的。質(zhì)點間結(jié)合力越強的材料，其位阱越質(zhì)點間的結(jié)合力特性所決定的。質(zhì)點間結(jié)合力越強的材料，其位阱越深而狹，升高同樣溫度，質(zhì)點振幅增加得越少，因此熱膨脹系數(shù)亦越深而狹，升高同樣溫度，質(zhì)點振幅增加得越少，因此熱膨脹系數(shù)亦越小。小。一般晶體的結(jié)構(gòu)類型相同時，結(jié)合能大的熔點也較高，所以通常一般晶體的結(jié)構(gòu)類型相同時，結(jié)合能大的熔點也較高，所以通常熔點高的膨脹系數(shù)也小。熔點高的膨脹系數(shù)也小。四、影響材料熱膨脹系數(shù)的因素四、影響材料熱膨脹系數(shù)的因素 p化學(xué)組成化學(xué)組成p晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)p鍵強度鍵強度 p相變相變p合金成分合金成分p組織組織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(xué)鍵的鍵強越大，膨脹系數(shù)越小。一方面，化學(xué)鍵的鍵強越大，膨脹系數(shù)越小。（1）化學(xué)鍵型化學(xué)鍵型LOGO 材材 料料 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù) 1/oC106 (0-1000)oC 材材 料料 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù) 1/oC106 (01000)oC 金剛石金剛石 3.1SiC 4.7BeO 9.0TiC 7.4MgO 13.5SiO2 12ZrO2（穩(wěn)定化）（穩(wěn)定化）10.0 粘土耐火材料粘土耐火材料 5.5尖晶石尖晶石 7.6熔融石英玻璃熔融石英玻璃 0.5莫來石莫來石 5.3窗玻璃窗玻璃 9.0ZrO2 4.2堇青石瓷堇青石瓷 1.1-2.0無機材料的平均熱膨脹系數(shù)無機材料的平均熱膨脹系數(shù)LOGO純金屬的平均線膨脹系數(shù)純金屬的平均線膨脹系數(shù)10-6（0100 0C）金屬金屬線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)金屬金屬線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)Li58Si6.95Be10.97Cn17.0B8.0Zn38.7Na71.0Zr5.83Mg27.3K84Al23.8Ti7.14LOGO固體材料的熱膨脹與點陣中質(zhì)點的位能有關(guān)，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(guān)，而質(zhì)點的位能由質(zhì)點間的結(jié)合力特性所決定，結(jié)合力強，勢能曲位能由質(zhì)點間的結(jié)合力特性所決定，結(jié)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(10-10m)結(jié)合能結(jié)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（2）熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系）熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系LOGO（3）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系T/oC V比熱容比熱容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LOGO 結(jié)構(gòu)緊密的固體，膨脹系數(shù)大，反之，膨脹系數(shù)小結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的氧化物，相互熱振動導(dǎo)致膨脹系數(shù)較大，對于氧離子緊密堆積結(jié)構(gòu)的氧化物，相互熱振動導(dǎo)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、Al2O3、MgAl2O4、BeAl2O4都具有相當(dāng)大的膨都具有相當(dāng)大的膨脹系數(shù)。脹系數(shù)。固體結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部空隙較多，當(dāng)溫度升高，原子振幅固體結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部空隙較多，當(dāng)溫度升高，原子振幅加大，原子間距離增加時，部分被結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙所容納，加大，原子間距離增加時，部分被結(jié)構(gòu)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（4）熱膨脹與結(jié)構(gòu)的關(guān)系熱膨脹與結(jié)構(gòu)的關(guān)系LOGO晶體晶體垂直垂直C平行平行C晶體晶體垂直垂直C平行平行CAl2O38.39.3SiO2(石英石英)1493Al2O32SiO24.55.7NaAlSi3O8413TiO26.88.3C(石墨石墨)127ZrSiO46.88.3Mg(OH)2114.5CaCO3-625各向異性晶體的熱膨脹系數(shù)各向異性晶體的熱膨脹系數(shù) 晶體的各向異性膨脹晶體的各向異性膨脹 各層間的結(jié)合力不同引起熱膨脹不同。各層間的結(jié)合力不同引起熱膨脹不同。LOGO（5）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27150C11700C23700CLOGOZrO2 的差熱的差熱分析曲線分析曲線99%ZrO2，19500C預(yù)燒預(yù)燒900 1000 1100 1200 1300溫度（溫度（oC）0 400 800 1200 溫度（溫度（oC）1.20.8 0.4 未穩(wěn)定未穩(wěn)定ZrO2等軸晶型穩(wěn)定等軸晶型穩(wěn)定ZrO2ZrO2 的線膨脹的線膨脹系數(shù)（系數(shù)（%）與）與溫度的關(guān)系溫度的關(guān)系 圖8-12 相變時、L與T的關(guān)系 (a)一級相變 (b)二級相變 在在發(fā)生相生相變時，體，體積不不變化的情況下，也不伴隨化的情況下，也不伴隨熱量的吸收和量的吸收和釋放，只是放，只是熱容量、容量、熱膨膨脹系數(shù)和系數(shù)和等溫等溫壓縮系數(shù)等的物理量系數(shù)等的物理量發(fā)生生變化，化，這一一類變化化稱稱為二二級相相變。在在發(fā)生相生相變時，有體，有體積的的變化同化同時有有熱量的吸收或量的吸收或釋放，放，這類相相變即即稱稱為“一一級相相變”組成合金的組成合金的溶質(zhì)溶質(zhì)元素對合金熱膨脹有明顯影響。元素對合金熱膨脹有明顯影響。由簡單金屬與非鐵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。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。系數(shù)增大，而加入鉻和釩使鐵的膨脹系數(shù)變小。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)，依混合定則粗略相膨脹系數(shù)之間，可近似按各相所占體積百分?jǐn)?shù)，依混合定則粗略估算。估算。1 1熱膨脹系數(shù)的測定熱膨脹系數(shù)的測定(1)(1)望遠(yuǎn)鏡直讀法望遠(yuǎn)鏡直讀法 五、熱膨脹系數(shù)的測定及應(yīng)用五、熱膨脹系數(shù)的測定及應(yīng)用(2)(2)頂桿式間接法頂桿式間接法 http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering（3 3）金屬線膨脹系數(shù)的測量）金屬線膨脹系數(shù)的測量 金屬棒可利用光杠桿方法定其線金屬棒可利用光杠桿方法定其線膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) http:/ 化學(xué)與材料工程系化學(xué)與材料工程系Department of Chemistry and Material and Engineering2熱膨脹的應(yīng)用熱膨脹的應(yīng)用u 陶瓷坯與釉層的設(shè)計陶瓷坯與釉層的設(shè)計u 封接材料的設(shè)計封接材料的設(shè)計u 測定相變溫度和相變動力學(xué)曲線測定相變溫度和相變動力學(xué)曲線釉的膨脹系數(shù)比坯的小，則燒成后的制品在冷卻過程中，釉的膨脹系數(shù)比坯的小，則燒成后的制品在冷卻過程中，表面釉層的收縮比坯的小，所以使釉層中存在著壓應(yīng)力，表面釉層的收縮比坯的小，所以使釉層中存在著壓應(yīng)力，能明顯地提高脆性材料的強度。能明顯地提高脆性材料的強度。第四節(jié)第四節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 在材料中熱量由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的現(xiàn)象就稱為熱傳導(dǎo)。其能力用熱導(dǎo)率(Thermalconductivity）來衡量。穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)下下一、材料的熱傳導(dǎo)一、材料的熱傳導(dǎo) 即為導(dǎo)熱系數(shù)，顯然其物理含義是即為導(dǎo)熱系數(shù)，顯然其物理含義是:在一定溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量。在一定溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量。氣氣體體的的傳傳熱熱是是依依靠靠分分子子的的碰碰撞撞來來實實現(xiàn)現(xiàn)的的，金金屬屬中中則則可可由由大大量量的的自自由由電電子子的的運運動動而而傳傳熱熱；在在無無機機非非金金屬屬材材料料中中，導(dǎo)導(dǎo)熱熱主主要要是由晶格振動的格波來實現(xiàn)。是由晶格振動的格波來實現(xiàn)。格波分聲頻支與光頻支。格波分聲頻支與光頻支。二、熱傳導(dǎo)的微觀機理二、熱傳導(dǎo)的微觀機理v格波的傳播看成是質(zhì)點格波的傳播看成是質(zhì)點-聲子的運動；聲子的運動；v格波與物質(zhì)的相互作用，則理解為聲子和格波與物質(zhì)的相互作用，則理解為聲子和物質(zhì)的碰撞；物質(zhì)的碰撞；v格波在晶體中傳播時遇到的散射，則理解格波在晶體中傳播時遇到的散射，則理解為聲子同晶體質(zhì)點的碰撞；為聲子同晶體質(zhì)點的碰撞；v晶體中，熱傳導(dǎo)的實質(zhì)就是聲子碰撞的結(jié)晶體中，熱傳導(dǎo)的實質(zhì)就是聲子碰撞的結(jié)果。果。1、聲子和聲子熱導(dǎo)、聲子和聲子熱導(dǎo) 固體中分子、原子、電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變，固體中分子、原子、電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變，會輻射出電磁波，具有較強熱效應(yīng)的波長在會輻射出電磁波，具有較強熱效應(yīng)的波長在0.40.44040mm間間(相當(dāng)相當(dāng)于紅外、近紅外光區(qū)于紅外、近紅外光區(qū))。熱射線的傳遞稱為熱輻射，在溫度不太。熱射線的傳遞稱為熱輻射，在溫度不太高時，黑體單位體積的輻射能為：高時，黑體單位體積的輻射能為：us434TnET=2.光子熱導(dǎo)光子熱導(dǎo) 任何溫度的物體都會輻射出能量，也會接受能量。溫度高的單任何溫度的物體都會輻射出能量，也會接受能量。溫度高的單元體中，放出的能量多，而吸收的能量少，而溫度低的單元體中，元體中，放出的能量多，而吸收的能量少，而溫度低的單元體中，放出的能量少，而吸收的能量多。放出的能量少，而吸收的能量多。結(jié)果結(jié)果：熱量從高溫處流向了低溫處。：熱量從高溫處流向了低溫處。2.光子熱導(dǎo)光子熱導(dǎo)1.1.溫度的影響溫度的影響 2.2.晶體結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)的影響 3.3.化學(xué)組成的影響化學(xué)組成的影響 4.4.復(fù)相材料的熱導(dǎo)率復(fù)相材料的熱導(dǎo)率5.5.氣孔的影響氣孔的影響三、影響材料熱傳導(dǎo)性能的因素三、影響材料熱傳導(dǎo)性能的因素 溫度較低時，主要是聲子傳導(dǎo) 自由程則有隨溫度的 升高而迅速降低的特點 高溫時，則迅速降 低。圖8-15 Al2O3單晶的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系1.溫度的影響溫度的影響在40K附近，出現(xiàn)極大值。圖8-16 理論密度多晶氧化物的-t曲線1-CaO 2-尖晶石 3-NiO 4-莫來石 5-鋯英石 6-TiO2 7-橄欖石 8-ZrO2（穩(wěn)定）1.溫度的影響溫度的影響2.晶體結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)的影響幾種無機材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系幾種無機材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系由于多晶體中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、由于多晶體中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界處雜質(zhì)多，聲子更易受到散射，它的平晶界處雜質(zhì)多，聲子更易受到散射，它的平均自由程要小得多，所以熱導(dǎo)率就小。均自由程要小得多，所以熱導(dǎo)率就小。圖8-18 石英和石英玻璃的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系氧化物和碳化物中陽離子的相對原子質(zhì)量與熱導(dǎo)率的關(guān)系3.化學(xué)組成的影響化學(xué)組成的影響一般說來，組成元素的相對原一般說來，組成元素的相對原子質(zhì)量愈小，晶體的密度愈小，子質(zhì)量愈小，晶體的密度愈小，彈性模量愈大，德拜溫度愈高，彈性模量愈大，德拜溫度愈高，其熱導(dǎo)率愈大；輕元素的固體其熱導(dǎo)率愈大；輕元素的固體或結(jié)合能大的固體熱導(dǎo)率較大?；蚪Y(jié)合能大的固體熱導(dǎo)率較大。金剛石的熱傳導(dǎo)系數(shù)比任金剛石的熱傳導(dǎo)系數(shù)比任何其他材料都大，常用于何其他材料都大，常用于固體器件的基片。固體器件的基片。MgO-NiO的固溶體的熱導(dǎo)率的固溶體的熱導(dǎo)率雜質(zhì)雜質(zhì) 對于復(fù)相材料，如常用的陶瓷，其典型微觀結(jié)構(gòu)是晶相分散在連續(xù)的玻對于復(fù)相材料，如常用的陶瓷，其典型微觀結(jié)構(gòu)是晶相分散在連續(xù)的玻璃相中，這類材料的熱導(dǎo)率可按下式計算：璃相中，這類材料的熱導(dǎo)率可按下式計算：4復(fù)相材料的熱導(dǎo)率復(fù)相材料的熱導(dǎo)率圖圖8-21 兩相鎂質(zhì)材料的熱導(dǎo)率與組成的關(guān)系兩相鎂質(zhì)材料的熱導(dǎo)率與組成的關(guān)系式中：式中：s為固相的熱導(dǎo)率；為固相的熱導(dǎo)率；P為氣孔的體積分?jǐn)?shù)。為氣孔的體積分?jǐn)?shù)。5 5氣孔的影響氣孔的影響圖8-22 氣孔率對Al2O3瓷的熱導(dǎo)率的影響1 1熱導(dǎo)率的測量熱導(dǎo)率的測量圖圖8-23 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀示意圖導(dǎo)熱系數(shù)測定儀示意圖四、熱導(dǎo)率的測量及應(yīng)用四、熱導(dǎo)率的測量及應(yīng)用2導(dǎo)熱系數(shù)的應(yīng)用導(dǎo)熱系數(shù)的應(yīng)用圖8-24 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量原理圖1熱導(dǎo)率的測量熱導(dǎo)率的測量 由于多相材料的導(dǎo)熱系數(shù)可降低，且氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比固體材料要低得由于多相材料的導(dǎo)熱系數(shù)可降低，且氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比固體材料要低得多，因此，多，因此，氣孔率高的多孔輕質(zhì)耐火材料氣孔率高的多孔輕質(zhì)耐火材料比一般的耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)明顯比一般的耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)明顯地低，這是地低，這是隔熱耐火材料隔熱耐火材料生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)。