第8章材料热学性能.pptVIP

§8.1 材料的热容;; 热量 晶格 晶格振动 电子缺陷和热缺陷 频率为?晶格波（振子） 振动的振幅的增加 振子的能量增加 以声子为单位增加振子能量（即能量量子化）;经典统计理论的能量均分定理： 每一个单原子简谐振动的平均能量（动能1/2 kBT +位能1/2 kBT ）是kBT ，若固体中有N个原子，则有3N个简谐振动模， 总的平均能量: E=3NkBT (独立地在三个垂直方向上振动) 热容: Cv = 3NkB; 热容的本质： 反映晶体受热后激发出的晶格波（即声子）与温度的关系； 对于N个原子构成的晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率不同，激发出的声子能量也不同； 温度升高，原子振动的振幅增大，该频率的声子数目也随着增大； 温度 升高，在宏观上表现为吸热或放热，实质上是各个频率声子数发生变化。;;;?t;;;简谐近似：当原子离开其平衡位置发生位移时，它受到的相邻原子作用力与该原子的位移成正比。 ;u(r);在原子位移较小时， ?高次项与?2比较起来为一小量，可把这些高次项看成微扰项。 谐振子相互间要发生作用------声子间将相互交换能量。 如果开始时只存在某种频率的声子，由于声子间的互作用，这种频率的声子转换成另一种频率的声子，即一种频率的声子要湮灭，另一种频率的声子会产生。;晶格的原子振动可描述为一系列线性独立的谐振子。 相应的振子之间不发生作用，因而不发生能量交换。 在晶体中某种声子一旦被激发出来，它的数目就一直保持不变，它既不能把能量传递给其他频率的声子，也不能使自己处于热平衡分布。; 热膨胀机理;;;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。;T1低 具有: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数 ; 从晶格格波的声子理论可知，热传导过程------高振幅声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程。 热阻： 声子扩散过程中的各种散射。 根据气体热传导的经典分子动力学，热传导系数λ ： λ =cvvL/3;影响热传导性质的声子散射的机构：;q1 ，q2相当大时， Kn ?0， 碰撞后，发生方向反转，从而破坏了热流方向，产生较大的热阻。 翻转过程（声子碰撞）;散射强弱与点缺陷的大小和声子的波长相对大小有关。; 在位错附近有应力场存在，引起声子的散射，其散射与T2成正比。平均自由程与T2成反比。;;固体中的分子、原子和电子 振动、转动 高频电磁波（光子）;固体中的辐射传热过程的定性解释：;; 对于辐射线是透明的介质，热阻小， lr较大，如：单晶、玻璃，在773---1273K辐射传热已很明显； 对于辐射线是不透明的介质，热阻大， lr很小，大多数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下辐射明显； 对于完全不透明的介质， lr=0，辐射传热可以忽略。;?T3 ; 线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：晶格偏离谐振程度越大，热阻越大。 ; 单质具有较大的导热系数 金刚石的热传导系数比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能输出大功率。;晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多，对声子散射大。;非晶体 晶体与非晶体;由于非晶体材料特有的无序结构，声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级，因而组分对其影响小。;一般情况下，介于两者曲线之间，可能出现三种情况： ? 当材料中所含有晶相比非晶相多时，在一般温度以上，热导率随温度上升而有所下降。在高温下热导率基本上不随温度变化； ? 当材料中所含的非晶相比晶相多时，热导率随温度升高而增大； ? 当材料中所含的非晶相比晶相多时，热导率可以在一个相当的范围内基本保持常数。;? 晶体是置换型固溶体，非计量化合物时，热传导系数降低。;§8.4 无机材料的热稳定性 ;在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。 在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞后现象------