材料物理性能 课件.ppt

材料物理性能 材料学院 张果戈 ggzhang@scut.edu.cn 内容 材料的热学性能 材料的磁学性能 材料的电学性能 材料的光学性能 材料的介电性能 材料的耐腐蚀性能 参考资料 耿桂宏，材料物理与性能学，北京大学出版社 田莳，材料物理性能，北京航空航天大学出版社 熊兆贤，材料物理导论，科学出版社 贾梦秋，应用电化学，高等教育出版社 一、材料的热学性能 内容：热容、热膨胀及热传导 基本概念、物理本质、影响因素及其在材料研究中的应用 （一）热学性能的物理基础 热力学第一定律 外界对系统传递能量的一部分使系数的内能增加，另一部分用于系统对外做功。 说明了热、功转化的数量关系，而不能解决过程进行的方向及限度问题。 热力学第二定律 克劳修斯表述：热量不可能自动从低温物体传到高温物体。开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使它完全变为功，而使其它物体不发生任何变化。 熵增加原理，平衡态对应于熵最大的状态。 （一）热学性能的物理基础 晶格热振动 晶格热振动：晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动。材料热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 晶格振动是三维的，当振动很微弱时，可认为原子作简谐振动。振动频率随弹性模量Em增大而提高。 温度升高时质点动能增大，1/2 mv2=1/2 kT, ∑(动能)i＝热能 质点热振动相互影响，相邻质点间的振动存在一定的相位差，晶格振动以波（格波）的形式在整个材料内传播。格波在固体中的传播速度：v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级，格波最高频率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz 频率极低的格波：声频支振动；频率极高的格波：光频支振动 （一）热学性能的物理基础 晶格热振动 简谐振子的能量是量子化的，以声子为最小基本单位。 引入声子的好处：简谐近似下晶格振动的热力学问题可当作由声子组成的理想气体系统来处理。若考虑非简谐效应，可看作有相互作用的声子气体。材料热量的得失过程就是声子的得失过程，热传导依靠声子的传播。 声子数目不守恒 （二）热容 热容：在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量。物理本质：材料的焓随温度变化而变化的一个物理量。 质量热容（比热容）；摩尔热容 （二）热容 定容热容 容积恒定条件 定压热容 恒压条件 （二）热容 热容随温度的变化规律 I区（接近0K）：CV∝T II区（低温区）：CV∝T3 III区（高温区）：CV趋于恒定 （二）热容 热容的经典理论和经验定律 杜隆－珀替定律：忽略自由电子对热容的贡献，假设振动能量只由原子的热振动引起，每个原子的平均动能和位能之和为3kT。恒压下元素的原子热容为25J/(K · mol)。 用途：推算未知物原子量 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 C=∑niCi （二）热容 热容的量子理论 爱因斯坦模型：每个原子都是独立的振子，原子振动频率相同，无相互作用 qE = hv / k: 爱因斯坦温度 高温时，TqE 　　Cv≈3R = 25J / (K mol) 低温时， TqE T→0K时，CV →0。 （二）热容 热容的量子理论 德拜模型：考虑了原子间相互作用及质点振动的频率范围。假定各质点振动的频率不同，可连续分布于0到最大频率之间。低温时参与低频振动的质点较多。 德拜温度：qD = hvmax / k 高温时 Cv≈3R = 25J / (K mol) 低温时 （二）热容 金属的热容 自由电子对热容的贡献 温度极低或极高时自由电子对热容有贡献 常温下点阵热容大于电子热容 过渡金属的电子热容较大，包括s层电子热容、d层或f层电子的热容。过渡金属的热容远比简单金属的大 （二）热容 无机非金属材料的热容 高温（qD）时趋近于25J/(mol K)，低温（ qD）时与T3成正比。 qD≈0.2 – 0.5 Tm 对结构不敏感，具有相加性（柯普定律） 某些材料可用经验公式Cp = a + bT + cT-2 + … （二）热容 组织转变对热容的影响 一级相变：特定温度下发生的转变。 特点：转变点具有处于平衡的两个相，且在两相之间存在分界面。如金属的熔化、凝固，合金的共晶与包晶转变，固态合金中的共析转变及同素异构转变等。 热焓曲线出现跃变，热容趋于无穷大。 （二）热容 组织转变对热容的影响 二级相变：一个温度范围内发生的转变 特点：转变过程中只有一个相。如磁性转变、有序－无序转变及合金的超导转变等。 无相变潜热，热容曲线发生突变。 亚稳态组织转变：不可逆组织转变。 （二）热容 热容的测量 量热计法。低温及中温区：电加热法 高温区：