二、材料热学性能.ppt

材料物理性能 授课：付鹏 QQE-mail: fupeng@lcu.edu.cn 本章重点：热学性能的应用 本章难点：热容模型的推导 材料热性能研究的意义 ?? 在空间科学技术中的应用 ?? 在能源科学技术中的应用 ?? 在电子技术和计算机技术中的应用 1.热膨胀的利用 3.保温材料 1.3 质点简谐振动有以下特点 （1）每个质点都有一定振动频率 （2）各质点振动的耦合形成格波 1.3.1 一维双原子点阵中的格波 2.1 定义: 材料在温度变化时且无相变及化学反应条件下，温度升高1K所吸收的热量。单位：J/K。 2.2 热容经验模型 (a) 计算谐振子平均能量ε (b) 计算单位摩尔原子的总能量 E (c) 根据热容定义计算 杜隆－珀替定律在高温时与试验结果是符合的。 但在低温下时，相差较大，此定律在低温下不适用。 （3）柯普定律 化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 2.3.2 德拜模型 2.3.2 德拜模型 2.3.2.1 讨论 2.3.2.2 德拜模型的优点与不足 没有考虑电子温度，而对金属而言低温下热容基本由 电子贡献，正比于T。 解释不了超导现象。 对某些化合物的计算结果与实验不符，原因在于德拜 认为θD与温度无关，且把晶体当作连续介质处理。 2.4 无机材料的热容 4. 相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。 高温下，化合物的摩尔热容等于构成该化合物的各元素原子热容的总和(c=?niCi) ni : 化合物中i元素原子数； Ci: i元素的摩尔热容。 计算大多数氧化物和硅酸盐化合物在573以上热容有较好的结果。 6. 多相复合材料的热容：c=?gici gi ：材料中第i种组成的重量%； Ci：材料中第i组成的比热容。 2.5 影响热容的因素 2.5.3 温度 多相组成材料应当符合加和关系，如气孔耐火 材料。 2.6 热容的测定 2.6.2 电热法测定热容 2.6.2.1 原理 2. 7 热分析方法 （1）差热分析 DTA (Differential Thermal Analysis) （2）差示扫描量热法 DSC (Differential Scanning Calorimetry) （3）热重法 TG (Thermal Gravimetry) （4）热膨胀分析 (见热膨胀部分) 热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。 2.7.2.1 差热分析 DTA 2. 差热分析的特征和影响因素 ① 零线：理想状态ΔT=0的线； ② 基线：实际条件下试样无热效应时的曲线部分； ③ 吸热峰：TS＜TR ，ΔT＜0时的曲线部分； ④ 放热峰：TS＞TR ，ΔT＞0时的曲线部分； ⑤ 起始温度（Ti）：热效应发生时曲线开始偏离基线的温度； ⑥ 终止温度（Tf）：曲线开始回到基线的温度； ⑦ 峰顶温度（Tp）：吸、放热峰的峰形顶部的温度； ⑧ 峰高：是指内插基线与峰顶之间的距离； ⑨ 峰面积：是指峰形与内插基线所围面积； ⑩ 外推起始点：是指峰的起始边斜率最大处所作切线与外推基线的交点，其对应的温度称为外推起始温度（ Teo ）；根据ICTA共同试样的测定结果，以外推起始温度（Teo）最为接近热力学平衡温度。 2.7.2.2 差示扫描量热法 DSC 2.7.2.3 热重法（TG） 确定工艺温度；研究相变过程。 三、 热膨胀 （3）固体材料的膨胀系数不是一个固定常数，而是随温度变化而变化的。 热膨胀实质是振动原子的平均位置随温度升高而 改变，导致原子平均间距增大。 用非简谐振动理论解释热膨胀机理。可从以下两 方面解释： （1）原子间力—原子间距曲线 （2）原子势能—原子间距曲线 3.3.1 热膨胀与热容 由于二者引起的机理一致，故变化趋势相同。高温下由于热平衡缺陷，造成点阵畸变，故α增大较显著。 3.3.2 热膨胀与熔点 二者均与结合能有关。结合能越大，则熔点越高，而α越小。格留乃申方程反映了这种相反的变化趋势。 Tm α=（V Tm－V0）/ V0＝常数（C） 其中： Tm——熔点