《材料物理》第三章材料热学性能概述与作用.ppt

《材料物理》第三章 材料的热学性能概述和作用;提纲;材料各种热学性能均与晶格热振动有关 1、晶格热振动 晶体点阵中的质点（原子或离 子）总是围绕着平衡位置作微 小振动，称为晶体热振动 温度体现了晶格热振动的剧烈程度，相同条件下，晶格振动越剧烈，温度越高 2、格波 材料中所有质点的晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种存在于晶格中的波叫做格波 格波是多频率振动的组合波 ;振动在晶体中的传播——波;3、声频支振动 如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此间的位相差不大，称为声频支振动 声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向 4、光频支振动 格波中频率较高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为光频支振动 光频支是不同原子相对振动引起的;声频支;晶格振动的能??及声子的概念;一维双原子晶格的热振动;对于每个L值，有两支独立的振动模式 ω+：光学支 ω-：声学支 ;若每个原胞中有s个原子 一维晶格振动：有s个色散关系式（s支格波），其中：1支声学波，(s-1)支光学波。晶格振动格波的总数＝sN＝晶体的自由度数 三维晶格振动：有3s个?与q的关系式（即色散关系式），对应于3s支格波，其中3支为声学波（一支纵波，两支横波），3(s－1)支为光学波;量子力学中，某一质点的能量为 h：普朗克常数，用以描述量子大小， 值为6.6260693×10-34J·s 。 格波的能量同样也是量子化的，声频支格波的量子（最小能量单位）叫声子（Phonon） 把格波的传播看成是声子的运动 格波与物质的相互作用→声子和物质的碰撞 格波在晶体中传播时遇到的散射→声子同晶体中质点的碰撞 理想晶体中热阻（表征材料对热传导的阻隔能力）→声子-声子的碰撞 ;材料从周围环境中吸收热量，晶格热振动加剧，温度升高 定义：物质分子或原子热运动的能量Q随温度T的变化率，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力 平均热容：是指物质从T1温度到T2温度所吸收的热量的平均值 热容是物系的容量性质，与物质的量有关： 比热：单位质量的热容， J?K-1?Kg-1 。 摩尔热容：1mol物质的热容，J?K-1?mol-1;热容是一个过程量，与热过程有关 对于固体材料 低温时，Cp≈Cv 高温时，两者相差较多，且CpCv 定压加热时，物体除升高温度外，还会对外做功，因此需要吸收更多热量 ;经验定律 （1）元素热容定律：杜隆-珀蒂(Dulong-Petit)定律 定压下元素原子的摩尔热容Cv=3R≈25 J.K-1.mol-1 成功之处：高温下与试验结果基本符合 （2）化合物热容定律：柯普定律 Cv=∑niCi ;经典热容理论;量子化的晶格振动能量 波尔兹曼统计理论 角频率以ρ(ω)分布 ;爱因斯坦模型的热容量;金刚石热容;德拜模型;元素;In的Debye温度?D随温度的变化;在非常低的温度下，由于短波声子的能量太高，不会被热激发，而被“冷冻”下来。所以 ?ω kBT的声子对热容几乎没有贡献；只有那些 ?ω ≤ kBT 的长波声子才会被热激发，对热容量有贡献;关于得拜模型的补充;实际材料的热容量;热容的本质;cv,m / （J·K-1·mol-1）;(2) 合金热容 合金及固溶体等的热容由组元原子热容按比例相加而得，其数学表达式为 式中：ni为合金中各组成的原子百分数；cp,m,i为各组成的原子恒压摩尔热容。 计算的热容值与实验值相差不大于4%，但该式不适用于低温条件或铁磁性合金。;（3）陶瓷材料的热容;一级相变二级相变;材料的热容对材料结构不敏感，与材料的结构的关系不大，具有一定的加和性，但在相变时，由于热量的不连续变化，热容也出现了突变 ;SiO2的晶型转变;《材料物理》第三章材料的热学性能概述和作用;4.3 材料的热膨胀;线（体）膨胀系数 温度升高1K时，物体的长度（体积）增加率 线膨胀系数与体膨胀系数的关系 对于各向同性的物体，αV = 3αl 对于各向异性的晶体，αV = αa+ αb+ αc 式中：a、b、c分别为三晶轴方向的线膨胀系数。 ;一些无机材料的热膨胀系数随温度变化曲线 固体材料的αT值并不是常数，而随温度变化 无机非金属材料：一般较小，约为10-6K-1。 各种金属和合金:0-100℃的线膨胀系数约为10-5K-1 ， 钢:多在(10-20)*10-6K-1范围;4.3.2 固体材料热膨胀机理;热膨胀微观机理——1;点阵能曲线的非对称性;热膨胀微观机理——2;4.3.3 热膨胀和其他性能的关系;?l 、 Cv与温度有相似的规律 吸收能量 晶格振动加剧