[理学]无机材料物理化学第3章.pdf

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[理学]无机材料物理化学第3章

无机材料物理性能 第三章无机材料 第三章无机材料 的热学性能 的热学性能 北京科技大学 材料科学与工程学院 无机非金属材料系 School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing 无机材料的热学性能 航天器从太空再入大气层时,速度可达10~28马赫, 与空气发生强烈挤压摩擦而产生气动热。航天飞机机 头鼻锥帽和机翼前缘亦可瞬间升温至1300~1650℃。 面对如此严酷的高温、热震、烧蚀和气动冲击等复杂 环境,无机非金属材料成为最佳的选择。 Ablator ceramic Thermal Soak Re-entry 2011/4/12 Wenbin CAO Dept. Inorg Nonmetallic Materials, USTB 2 无机材料的热学性能 升华 热容 热传导 熔化 无机材料的宏观、 微观本质 热膨胀 热稳定性 2011/4/12 Wenbin CAO Dept. Inorg Nonmetallic Materials, USTB 3 无机材料的晶格热振动 Structure of ZrO2 Structure of Diamond 各种热性能的物理本质:晶格热振动 (lattice heat vibration)。 晶体点阵中的质点(原子、离子) 总是围着 平衡位置作微小振动,称为晶格热振动。 晶格热振动是3维的,可根据空间力系分 Structure of Al O 解为三个方向的线性力系。 2 3 2011/4/12 Wenbin CAO Dept. Inorg Nonmetallic Materials, USTB 4 无机材料的晶格热振动 设每个质点的质量为m ,任一时刻在x 方向位移为xn ,临近质点的 位移则为xn-1,xn+1,根据牛顿第二定律,质点的振动符合简谐振动方 程(simple harmonic vibration equation): dx2 m ⋅ β(x +x −2x ) dt 2 n+1 n−1 n 式中: β= 微观弹性模量( micro-elastic- modulus) m= 质点质量(mass) x= 质点在x 方向上位移(displacement) 热量就是该物体N个质点热运动时

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