材料的熱性能第1頁(yè)/共105頁(yè)第二章固體中電子能量結(jié)構(gòu)與狀態(tài)第一章量子力學(xué)基礎(chǔ)第七章磁性能第五章光學(xué)性能第四章介電性能第六章熱性能目錄《材料物理性能》Page

2第三章電性能第2頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容

6.2材料的熱膨脹

6.3材料的導(dǎo)熱性

6.4熱電性

6.5材料的熱穩(wěn)定性Page

3第六章材料的熱性能《材料物理性能》第3頁(yè)/共105頁(yè)內(nèi)容：包括熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性等?；靖拍?、物理本質(zhì)、影響因素、主要測(cè)試方法及其在材料研究中的應(yīng)用Page

4材料的熱性能第4頁(yè)/共105頁(yè)晶格熱振動(dòng)——熱性能的物理本質(zhì)晶體點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子)總是圍繞平衡位置做微小振動(dòng)。Page

5晶格振動(dòng)是三維的，當(dāng)振動(dòng)很微弱時(shí)，可認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程為溫度升高時(shí)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能增大，質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)相互影響，相鄰質(zhì)點(diǎn)間的振動(dòng)存在一定的相位差，晶格振動(dòng)以波(格波)的形式在整個(gè)材料內(nèi)傳播。格波在固體中的傳播速度：v=3×103m/s,晶格常數(shù)a為10-10m數(shù)量級(jí)，格波最高振動(dòng)頻率：vmax=v/2a=1.5×1013

Hz

∑(動(dòng)能)i＝熱能材料的熱性能第5頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

6聲頻支振動(dòng)與光頻支振動(dòng)如果振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)中包含頻率很低的格波，質(zhì)點(diǎn)間的相位差不大時(shí)，則格波類(lèi)似于彈性波，稱(chēng)為“聲頻支振動(dòng)”，可以看成是相鄰質(zhì)點(diǎn)具有相同的振動(dòng)方向。由于兩種原子的質(zhì)量不同，振幅也不同，所以?xún)稍娱g會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖(a)所示：

格波中頻率很高的振動(dòng)波，質(zhì)點(diǎn)間的相位差很大，鄰近質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)幾乎相反時(shí)，頻率往往在紅外光區(qū)，稱(chēng)為“光頻支振動(dòng)”，可以看成相鄰原子振動(dòng)方向相反，形成了一個(gè)范圍很小、頻率很高的振動(dòng)。材料的熱性能第6頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

76.1材料的熱容6.1.1熱容的概念1．熱容的定義在沒(méi)有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量。熱容C的表達(dá)式不同溫度下，物體的熱容不一定相同（J/K）2．比熱一克物質(zhì)的熱容稱(chēng)為比熱容(比熱)，單位是J/(K?g)，用小寫(xiě)的c表示。3．摩爾熱容1mol物質(zhì)的熱容稱(chēng)為摩爾熱容Cm

，單位是J/(K?mol)。第7頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

86.1材料的熱容4．真熱容與平均熱容同一種材料在不同溫度時(shí)的熱容也往往不同。把某一溫度下的熱容稱(chēng)為真熱容。通常工程上所用的平均熱容是指材料從溫度T1到T2所吸收的熱量的平均值。T2-T1范圍愈大，C均精度愈差。QTT1T212第8頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容物體的熱容還與它的熱過(guò)程有關(guān)。定壓熱容(Cp)：加熱過(guò)程是恒壓條件下進(jìn)行時(shí)所測(cè)定的熱容。定容熱容(Cv)：加熱過(guò)程中保持物體容積不變時(shí)所測(cè)定的熱容。Page

9Q：熱量，E：內(nèi)能，H：焓CPCV5．恒壓熱容與恒容熱容第9頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容無(wú)相變時(shí)，熱容隨溫度的變化規(guī)律

I區(qū)（接近0K）：CV∝T

II區(qū)（低溫區(qū)）：CV∝T3

III區(qū)（高溫區(qū)）：CV趨于恒定IIIIIICVT金屬在室溫以上CV很快接近25/K?mol，陶瓷在1000oC左右才趨于這一數(shù)值。Page

10第10頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

116.1材料的熱容固體熱容由兩部分組成：

一部分來(lái)自晶格振動(dòng)的貢獻(xiàn)，稱(chēng)為晶格熱容；

另一部分來(lái)自電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)，稱(chēng)為電子熱容。除非在極低溫度下，電子熱容是很小的（常溫下只有晶格熱容的1％）。熱容是固體原子熱運(yùn)動(dòng)在宏觀(guān)性質(zhì)上的最直接體現(xiàn)第11頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

126.1材料的熱容經(jīng)典熱容理論杜隆愛(ài)因斯坦德拜愛(ài)因斯坦量子熱容理論德拜量子熱容理論

固體熱容理論根據(jù)質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)的特點(diǎn)，從理論上闡明了熱容的本質(zhì)并建立熱容隨溫度變化的關(guān)系，其發(fā)展過(guò)程：6.1.2固體熱容理論簡(jiǎn)介第12頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容1、杜隆－珀替定律：忽略自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn)，假設(shè)振動(dòng)能量只由原子熱振動(dòng)引起，根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)中的能量均分定理，每個(gè)原子的平均動(dòng)能、位能之和為3kT。1mol固體中有N0個(gè)原子，則總能量為：式中，k為玻爾茲曼常數(shù)、k=R/N0=1.381×10-23J/K、R=8.314J/(K·mo1)。

按熱容定義摩爾熱容是與溫度T無(wú)關(guān)的常數(shù)，元素原子熱容為25J/(K·mol)，即杜隆一珀替定律。Page

13第13頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容對(duì)于雙原子固態(tài)化合物，1mol中的原子數(shù)為2N，故摩爾熱容為Cv=2×25J/(K·mo1)，三原子固態(tài)化合物的摩爾熱容Cv=3×25J/(K·mo1)，其余依此類(lèi)推。

杜隆一珀替定律在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是很符合的。但在低溫時(shí)，熱容的實(shí)驗(yàn)值隨溫度T3降低而減小，在接近0K時(shí)，熱容值正比于T趨于0。

另一個(gè)化合物的熱容定律——紐曼—柯普定律：化合物分子熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和C=Σnici，ni＝化合物中元素i的原子數(shù)，ci＝元素

i的摩爾熱容。Page

14第14頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容Page

152、愛(ài)因斯坦量子熱容理論：假設(shè)：每個(gè)原子都是一個(gè)獨(dú)立的諧振子，原子之間彼此無(wú)關(guān)，并且都是以相同的角頻w振動(dòng)。每個(gè)振子的振動(dòng)能量：聲子量子數(shù)，取0、1、2、3……零點(diǎn)能諧振子能量是量子化的，以聲子(格波的能量量子)為最小基本單位。引入聲子的好處：簡(jiǎn)諧近似下晶格振動(dòng)的熱力學(xué)問(wèn)題可當(dāng)作由聲子組成的理想氣體系統(tǒng)來(lái)處理。若考慮非簡(jiǎn)諧效應(yīng)，可看作有相互作用的聲子氣體。材料熱量的得失過(guò)程就是聲子的得失過(guò)程，熱傳導(dǎo)依靠聲子的傳播。第15頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

16根據(jù)Boltzmann幾率分布，能量為En的諧振子數(shù)：溫度T、振動(dòng)頻率為v的諧振子平均能量：1mol晶體的平均振動(dòng)能量：6.1材料的熱容第16頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容Page

17高溫時(shí)，T>>QE

CV,m≈3N0k=3R=25J/(K·mol)低溫時(shí)，T<<QE

T→0K時(shí)，CV,m

→0。缺陷：低溫段偏差大，未考慮質(zhì)點(diǎn)相互作用及忽略各原子的振動(dòng)頻率之間的差別晶體定容摩爾熱容：愛(ài)因斯坦比熱函數(shù)QE

=?w/k：愛(ài)因斯坦溫度CVT愛(ài)因斯坦曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)QE第17頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容Page

18①考慮晶體中原子的相互作用；②低溫下聲頻支占主導(dǎo)地位；③把晶體近似地看作為連續(xù)介質(zhì)；④高于vmax的振動(dòng)不在聲頻支而在光頻支范圍，對(duì)熱容貢獻(xiàn)很小，可忽略不計(jì)；⑤vmax由分子密度及聲速?zèng)Q定。3、徳拜量子熱容理論：德拜假設(shè):由上述假設(shè)導(dǎo)出了熱容的表達(dá)式：德拜比熱函數(shù)式中，德拜溫度取決于化學(xué)鍵強(qiáng)度、彈性模量、熔點(diǎn)第18頁(yè)/共105頁(yè)高溫時(shí)，T>>QD

CV,m≈3N0k=3R=25J/(K·mol)低溫時(shí)，T<<QD缺陷：假設(shè)晶體為連續(xù)體，對(duì)于原子振動(dòng)頻率較高的部分不適用；未考慮電子熱容，不能很好地解釋金屬熱容在極高溫及極低溫的變化規(guī)律CVT德拜曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)Page

196.1材料的熱容這表明當(dāng)T→0時(shí)，CV,m與T3成正比并趨于0，這就是德拜T3定律，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合，溫度越低，近似越好。第19頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容Page

201、金屬實(shí)驗(yàn)熱容

溫度很低時(shí)，原子振動(dòng)熱容滿(mǎn)足徳拜熱容公式，則電子熱容與原子振動(dòng)熱容之比為若取QD=200，，則當(dāng)T<1.4K時(shí)，即實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)T<5K時(shí)，即金屬熱容以電子貢獻(xiàn)為主。當(dāng)溫度很低時(shí)，金屬熱容需要同時(shí)考慮晶格振動(dòng)和自由電子兩部分的貢獻(xiàn)，可以寫(xiě)成6.1.3金屬和合金的熱容第20頁(yè)/共105頁(yè)

金屬熱容總結(jié)：溫度極低或極高時(shí)，自由電子對(duì)熱容有貢獻(xiàn)常溫下點(diǎn)陣熱容大于電子熱容過(guò)渡金屬的電子熱容較大，包括s層電子熱容、d層或f層電子的熱容。過(guò)渡金屬的熱容遠(yuǎn)比簡(jiǎn)單金屬的大銅的熱容隨溫度變化的曲線(xiàn)Page

216.1材料的熱容第21頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容Page

222、徳拜溫度而A和B也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，通過(guò)對(duì)比可檢驗(yàn)理論的正確性。

林德曼公式：式中，M是相對(duì)原子質(zhì)量、Va是原子體積、TM為熔點(diǎn)(K)。則：A值QD反映了原子間結(jié)合力，熔點(diǎn)越高，材料原子結(jié)合力越強(qiáng)，QD就越高，尤其是M小的金屬。第22頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容Page

233、合金熱容一般情況下（鐵磁合金除外）可用柯普定律熱處理對(duì)合金高溫下的熱容沒(méi)明顯影響（改變阻值）金屬熱容的一般概念適用于金屬和多相合金，但合金中還應(yīng)考慮合金相熱容及合金形成熱等。紐曼—柯普定律：C=Σnici

ni＝組元i所占的原子百分?jǐn)?shù)、ci＝各組元

i的摩爾熱容。適用于多相混合組織、固溶體或化合物。由此計(jì)算的理論值與實(shí)驗(yàn)值最大誤差<4%，但應(yīng)當(dāng)指出它不適應(yīng)于低溫條件。第23頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容Page

24

陶瓷材料的熱容與溫度關(guān)系更符合徳拜模型。材料的QD取決于鍵合強(qiáng)度、彈性模量、熔點(diǎn)等，石墨QD=1973K，BeOQD=1173K，Al2O3

QD=923K，QD≈0.20.5TM

。不同溫度下某些陶瓷材料的熱容6.1.4陶瓷材料的熱容第24頁(yè)/共105頁(yè)6.1材料的熱容Page

25摩爾比為1:1的不同形式的CaO+SiO2的熱容相變時(shí)，由于熱量不連續(xù)變化，熱容出現(xiàn)突變多相復(fù)合材料的熱容遵循紐曼—柯普定律

陶瓷材料的熱容與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系不大，混合物與同組成單一化合物的熱容基本相同。第25頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

266.1材料的熱容

金屬及合金在發(fā)生相變前后，伴隨一定的熱效應(yīng)，其構(gòu)成了金屬及合金熱容的附加部分，使熱容出現(xiàn)異常的變化。根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)相變前后的變化，相變可分為一級(jí)相變、二級(jí)相變和亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變。焓、自由能、熵、熱容隨溫度變化示意圖6.1.5相變對(duì)熱容的影響第26頁(yè)/共105頁(yè)特點(diǎn)：相變點(diǎn)具有處于平衡的兩個(gè)相，且在兩相之間存在分界面。如純金屬的熔化、凝固，合金的共晶與包晶轉(zhuǎn)變，固態(tài)合金中的共析轉(zhuǎn)變及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等。除有體積突變外，還伴隨相變潛熱的發(fā)生。熱焓曲線(xiàn)出現(xiàn)躍變，熱容趨于無(wú)窮大。HTTc一級(jí)相變焓和熱容隨溫度的變化Page

276.1材料的熱容

一級(jí)相變：在特定溫度(相變點(diǎn))下發(fā)生的轉(zhuǎn)變。第27頁(yè)/共105頁(yè)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)變過(guò)程中只有一個(gè)相。如磁性轉(zhuǎn)變、有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變及合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等。無(wú)相變潛熱，熱容曲線(xiàn)發(fā)生突變。亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：不可逆組織轉(zhuǎn)變。如過(guò)飽和固溶體的時(shí)效，變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶，馬氏體和殘余奧氏體的回火轉(zhuǎn)變等。亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)要釋放熱量，熱容-溫度曲線(xiàn)向下拐折。HTTC二級(jí)相變焓和熱容隨溫度的變化Page

286.1材料的熱容

二級(jí)相變：一個(gè)溫度范圍內(nèi)發(fā)生的轉(zhuǎn)變第28頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

296.1材料的熱容是根據(jù)材料在不同溫度下發(fā)生的熱量、質(zhì)量、體積等物理參數(shù)與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對(duì)材料進(jìn)行分析研究。物理性質(zhì)熱分析技術(shù)名稱(chēng)質(zhì)量熱重法(TG)、等壓質(zhì)量變化測(cè)定、逸出氣檢測(cè)(EGD)、逸出氣分析(EGA)、放射熱分析、熱微粒分析溫度升溫曲線(xiàn)測(cè)定、差熱分析(DTA)熱量差示掃描量熱法(DSC)尺寸熱膨脹法力學(xué)特征熱機(jī)械分析(TMA)、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械法(DMA)聲學(xué)特征熱發(fā)聲法、熱傳聲法光學(xué)特征熱光學(xué)法電學(xué)特征熱電學(xué)法磁學(xué)特征熱磁學(xué)法6.1.6熱分析第29頁(yè)/共105頁(yè)用途：測(cè)量有機(jī)物分解溫度，研究高聚物的熱穩(wěn)定性TIMNi(OH)2Page

306.1材料的熱容1、熱重法（TG）在程序控制溫度下測(cè)量材料的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種分析技術(shù)。熱重法試驗(yàn)得到的曲線(xiàn)稱(chēng)為T(mén)G(熱重)曲線(xiàn)。TG曲線(xiàn)以溫度作橫坐標(biāo)，以試樣的失重作縱坐標(biāo)，顯示試樣的質(zhì)量隨溫度的升高而發(fā)生的變化。第30頁(yè)/共105頁(yè)在程序控制溫度下，測(cè)量試樣和參比物之間的溫度差隨溫度(T)或時(shí)間(t)的變化關(guān)系。分析所采用的參比物應(yīng)是熱惰性物質(zhì)，即在整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)不發(fā)生分解、相變和破壞，也不與被測(cè)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。參比物的熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等應(yīng)盡量與試樣接近。缺點(diǎn)：重復(fù)性差，分辨率不夠高非晶TiO2+炭黑Page

316.1材料的熱容2、差熱分析（DTA）第31頁(yè)/共105頁(yè)在程序控制溫度下，用差動(dòng)法測(cè)量加熱或冷卻過(guò)程中，為使試樣與參比物保持同樣的溫度，所要補(bǔ)充的熱量與溫度和時(shí)間的關(guān)系。用途：測(cè)量相變溫度，進(jìn)行相變潛熱分析，研究各種因素對(duì)聚合物的玻璃化與結(jié)晶－熔融轉(zhuǎn)變的影響。Inconel718優(yōu)點(diǎn)：溫差為0，不受熱阻影響，有很好定量性Page

326.1材料的熱容3、差示掃描量熱法（DSC）第32頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

336.1材料的熱容研究組織轉(zhuǎn)變：淬火態(tài)樣品250oC回火2小時(shí)樣品淬火馬氏體→回火馬氏體殘余奧氏體→回火馬氏體碳化鐵→滲碳體6.1.7熱分析應(yīng)用通過(guò)物質(zhì)在加熱或冷卻過(guò)程中出現(xiàn)各種的熱效應(yīng)，如脫水、固態(tài)相變、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等過(guò)程中產(chǎn)生放熱或吸熱效應(yīng)來(lái)進(jìn)行物質(zhì)鑒定。

在金屬材料研究中，熱分析方法也有廣泛的用途：第33頁(yè)/共105頁(yè)凝固點(diǎn)共晶點(diǎn)取某一成份合金，測(cè)定DTA曲線(xiàn)，獲得凝固和共晶轉(zhuǎn)變溫度將不同成份合金的凝固和共晶轉(zhuǎn)變溫度連成平滑的曲線(xiàn)加熱或冷卻速度應(yīng)小于5oC/minPage

346.1材料的熱容建立合金相圖：測(cè)定合金的液-固、固-固相變的臨界點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量溫度范圍寬，可測(cè)定任何轉(zhuǎn)變的熱效應(yīng)。第34頁(yè)/共105頁(yè)熱彈性馬氏體相變研究：熱彈性馬氏體相變體積效應(yīng)小，難以用膨脹法研究，電阻法則有較大誤差。相變時(shí)熱效應(yīng)顯著，可用DSC法。合金的有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變研究Ti-Ni合金的DSC測(cè)量結(jié)果，顯著的吸熱與放熱峰，可準(zhǔn)確判斷其相變點(diǎn)Cu-Zn合金比熱曲線(xiàn)Page

356.1材料的熱容第35頁(yè)/共105頁(yè)

質(zhì)點(diǎn)間的作用力非線(xiàn)性r<r0時(shí)，斥力隨位移減小而增加較快r>r0時(shí)，引力隨位移增大而衰減較慢Page

366.2材料的熱膨脹一、熱膨脹機(jī)理晶體中質(zhì)點(diǎn)引力-斥力曲線(xiàn)和位能曲線(xiàn)固體材料的熱膨脹與原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)(非線(xiàn)性振動(dòng))有關(guān)。溫度升高，原子振幅增加，導(dǎo)致原子間距增大，因此產(chǎn)生熱膨脹。第36頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

376.2材料的熱膨脹

在雙原子模型中（a圖），溫度為0K時(shí)，假設(shè)一個(gè)原子在原點(diǎn)，另一個(gè)原子在r0，為當(dāng)溫度升高時(shí)候，兩個(gè)原子就會(huì)由于熱運(yùn)動(dòng)而位置發(fā)生改變。令它離開(kāi)平衡位置的位移為x，兩原子間的距離為r=r0+x，U(r)是兩個(gè)原子距離的勢(shì)能。因?yàn)榍伊睿瑒t原式為：如果只考慮上式的前兩項(xiàng)，則位能曲線(xiàn)是拋物線(xiàn)，原子間的引力為：，2c是微觀(guān)彈性系數(shù)，為線(xiàn)性簡(jiǎn)諧振動(dòng)，平衡位置仍在r0處。第37頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

386.2材料的熱膨脹

但對(duì)于熱膨脹問(wèn)題，如果還只考慮前兩項(xiàng)，就會(huì)得出所有固體物質(zhì)均無(wú)熱膨脹，因此必須再考慮第三項(xiàng)。此時(shí)點(diǎn)陣能曲線(xiàn)為三次拋物線(xiàn)，即固體的熱振動(dòng)是非線(xiàn)性振動(dòng)。用波爾茲曼統(tǒng)計(jì)法，可算出平均位移。說(shuō)明，隨溫度增加，原子偏離0K的振動(dòng)中心距離增大，物體在宏觀(guān)上體積膨脹了。第38頁(yè)/共105頁(yè)線(xiàn)膨脹系數(shù):體膨脹系數(shù):各向同性晶體：各向異性晶體：無(wú)機(jī)材料線(xiàn)膨脹系數(shù)一般在10-5－10-6K-1數(shù)量級(jí)，通常al越小，材料熱穩(wěn)定性越好（Si3N4：2.7×10-6

K-1）。Page

396.3材料的熱膨脹二、熱膨脹系數(shù)熱膨脹：物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象。第39頁(yè)/共105頁(yè)熱膨脹系數(shù)與熱容：熱膨脹是固體受熱后晶格振動(dòng)加劇而引起體積膨脹，熱運(yùn)動(dòng)能量增大。升高單位溫度能量的增量就是熱容，所以熱膨脹系數(shù)與熱容有密切關(guān)系。格律乃森定律

r為格律乃森常數(shù)(1.52.5)，K0為體積彈性模量Al2O3線(xiàn)膨脹系數(shù)、熱容與溫度的關(guān)系Page

406.3材料的熱膨脹三、膨脹系數(shù)與其他物理量的關(guān)系熱膨脹系數(shù)與熱容變化的特征基本一致。第40頁(yè)/共105頁(yè)熱膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)遵循經(jīng)驗(yàn)公式：TM=b，b為常數(shù)對(duì)大多數(shù)立方、六方晶格b取0.060.07元素線(xiàn)膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)TM的關(guān)系：

=0.02/TM氧化物、鹵化物線(xiàn)膨脹系數(shù)與TM的關(guān)系：

=0.038/TM×10-6Page

416.2材料的熱膨脹熱膨脹系數(shù)與結(jié)合能、熔點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)與物質(zhì)內(nèi)原子間的斥力、引力大小以及原子間的鍵能大小直接有關(guān)。熔點(diǎn)是其結(jié)合鍵強(qiáng)度的表征之一。格律乃森金屬的體熱膨脹極限方程：?jiǎn)钨|(zhì)材料結(jié)合能（×103J/mol）熔點(diǎn)℃金剛石1.54712.335002.5硅2.35364.514153.5錫5.3301.72325.3第41頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

426.2材料的熱膨脹熱膨脹系數(shù)與徳拜溫度：熱膨脹系數(shù)與原子序數(shù)：隨原子序數(shù)呈明顯周期變化。熱膨脹系數(shù)與純金屬硬度：硬度越高，膨脹系數(shù)越小。第42頁(yè)/共105頁(yè)化學(xué)組成：形成固溶體合金時(shí)，溶質(zhì)元素的種類(lèi)及含量對(duì)合金的熱膨脹有明顯影響；形成化合物時(shí)，原子間相互作用比形成固溶體間的作用大得多，化合物的膨脹系數(shù)比固溶體小得多；鋼中合金元素對(duì)鋼膨脹系數(shù)的影響由其形成碳化物還是固溶于鐵素體所決定，前者使膨脹系數(shù)增大，后者使之降低。晶體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)松散的材料膨脹系數(shù)較小，結(jié)晶石英

vs非晶石英（24:1）鍵強(qiáng)度越高，膨脹系數(shù)越小。陶瓷（共價(jià)鍵、離子鍵）膨脹系數(shù)一般比金屬（金屬鍵）的小Page

436.3材料的熱膨脹四、影響熱膨脹的因素第43頁(yè)/共105頁(yè)相變材料發(fā)生相變時(shí)，其膨脹系數(shù)也發(fā)生變化。金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)（一級(jí)相變），點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排,體積突變，線(xiàn)膨脹系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化。有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變（二級(jí)相變）時(shí)無(wú)體積突變，膨脹系數(shù)在相變區(qū)出現(xiàn)拐折。例如：ZrO2

(1000oC)：?jiǎn)涡薄姆较?，收縮4%。解決方案：加入MgO,CaO,Y2O3，在高溫下形成立方晶形的固溶體（穩(wěn)定化ZrO2），在溫度小于2000oC時(shí)，不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。多相合金的膨脹系數(shù)可按混合定則估算：a=∑Viai一級(jí)相變二級(jí)相變完全穩(wěn)定化ZrO2純ZrO2Page

446.3材料的熱膨脹第44頁(yè)/共105頁(yè)反常膨脹鐵磁性金屬和合金，膨脹系數(shù)隨溫度變化不同一般金屬，在正常的膨脹曲線(xiàn)上出現(xiàn)附加的膨脹峰。原因：磁致伸縮抵消正常的膨脹應(yīng)用：可做膨脹系數(shù)為0或?yàn)樨?fù)值的因瓦合金Page

456.3材料的熱膨脹晶體各向異性對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性較低的金屬或其它晶體，其熱膨脹系數(shù)是各向異向性。一般來(lái)說(shuō)，彈性模量較高的方向?qū)⒂休^小的膨脹系數(shù)。第45頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

466.2材料的熱膨脹晶體缺陷晶體中總是含有(點(diǎn)、線(xiàn)、面)缺陷的，在室溫處于“凍結(jié)”狀態(tài)，會(huì)顯著的影響晶體的物理性能。

格爾茨利坎、提梅斯梅爾徳研究空位對(duì)固體熱膨脹的影響，得到二者的關(guān)系式Q是空位形成能，這里的空位是由輻照或高溫淬火產(chǎn)生；研究表明，輻照空位使晶體的膨脹系數(shù)增高，近似有關(guān)系式熱缺陷明顯影響是接近TM時(shí)，

可計(jì)算出空位引起熱膨脹系數(shù)的變化值。第46頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

476.2材料的熱膨脹五、多晶體和復(fù)合材料的熱膨脹1.鋼的熱膨脹特性

鋼的密度與熱處理所得到的顯微組織有關(guān)。馬氏體、鐵素體+Fe3C(珠光體、貝氏體)、奧氏體，密度依次增大，當(dāng)淬火得到馬氏體時(shí)，體積將增大，這是因?yàn)楸热菔敲芏鹊牡箶?shù)。回火時(shí)，鋼的體積將收縮。由于鋼在相變時(shí)，體積效應(yīng)比較明顯，故目前多采用膨脹法測(cè)定鋼的相變點(diǎn)。第47頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

486.2材料的熱膨脹多相材料若為機(jī)械混合物，則膨脹系數(shù)介于這些相膨脹系數(shù)之間。如兩相合金中，彈性模量比較接近時(shí)，有若其兩相彈性模量相差較大其中：為各相所占體積分?jǐn)?shù)，E1、E2為各相彈性模量。總的來(lái)說(shuō)，膨脹系數(shù)對(duì)組織分布不敏感，主要由合金相的性質(zhì)和含量決定。2.多相及復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)第48頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

496.2材料的熱膨脹

陶瓷材料都是一些多晶體或幾種晶體加上玻璃相構(gòu)成的復(fù)合體，若各向同性晶體構(gòu)成多晶體，則膨脹系數(shù)與單晶相同，若為各向異性，則膨脹系數(shù)變化。對(duì)于復(fù)合材料，其所有組成都是各向同性，且分布均勻，但各組成膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比都有差別，溫度變化將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力因?yàn)閺?fù)合材料處于平衡，所以整體的內(nèi)應(yīng)力為零設(shè)第i相的密度為ρi可消去Vi因?yàn)樗缘?9頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

506.2材料的熱膨脹根據(jù)給出膨脹系數(shù)和第二相體積分?jǐn)?shù)繪出的曲線(xiàn)——稱(chēng)科爾納曲線(xiàn)。分析陶瓷材料和復(fù)合材料應(yīng)注意兩點(diǎn):組成相中可能發(fā)生的相變，引起熱膨脹異常變化復(fù)合材料的微觀(guān)裂紋會(huì)引起膨脹系數(shù)滯后的現(xiàn)象，特別是對(duì)大晶粒樣品更應(yīng)注意。若為兩相復(fù)合材料，則膨脹系數(shù)具體形式為第50頁(yè)/共105頁(yè)熱膨脹的工程意義不同應(yīng)用對(duì)膨脹系數(shù)的要求不同。精密儀器零部件要求低膨脹系數(shù)的材料，熱敏元件的熱雙金屬要求高膨脹合金，集成電路要求膨脹系數(shù)彼此接近的材料（Al2O3vsNb)膨脹系數(shù)的大小是決定材料抗熱震性能的主要因素之一：熱膨脹系數(shù)較小的材料，受到熱沖擊時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，一般具有較強(qiáng)的抵抗熱沖擊破壞能力。熱膨脹的應(yīng)用產(chǎn)生合適壓應(yīng)力，提高脆性材料強(qiáng)度：釉的膨脹系數(shù)適當(dāng)?shù)匦∮谂鞯呐蛎浵禂?shù)組織轉(zhuǎn)變一般都伴隨明顯的體積效應(yīng)，膨脹分析可用于測(cè)定相變溫度和相變動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)（測(cè)定鋼的相變點(diǎn)）Page

516.3材料的熱膨脹六、熱膨脹的工程意義及應(yīng)用第51頁(yè)/共105頁(yè)1、千分表簡(jiǎn)易測(cè)量方法:最簡(jiǎn)單的機(jī)械式膨脹儀，利用千分表可直接測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低，又有一定的靈敏度。缺點(diǎn)：要求人工觀(guān)察記錄。Page

526.3材料的熱膨脹七、熱膨脹測(cè)試方法及其應(yīng)用千分表簡(jiǎn)易膨脹儀第52頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

536.2材料的熱膨脹2、光學(xué)膨脹儀材料相變中常用光學(xué)膨脹儀，測(cè)量原理是利用光杠桿來(lái)放大試樣的膨脹量。按光杠桿支點(diǎn)位置的不同可分為普通光學(xué)膨脹儀和示差光學(xué)膨脹儀。普通光學(xué)膨脹儀由以下幾個(gè)部分組成：膨脹計(jì)頭、照相裝置、加熱裝置等。這種膨脹儀的優(yōu)點(diǎn)是可以從所得的脹縮曲線(xiàn)上，直接分析計(jì)算，并把被測(cè)試樣的膨脹性質(zhì)直接換算為溫度的函數(shù)。其工作原理如下圖第53頁(yè)/共105頁(yè)3、電測(cè)膨脹儀利用非電量的電測(cè)法，將試樣的長(zhǎng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。分為電阻式膨脹儀、電容式膨脹儀和電感式膨脹儀。鐵芯差動(dòng)變壓器接至試樣電源Page

546.3材料的熱膨脹第54頁(yè)/共105頁(yè)4.膨脹法在材料研究中的應(yīng)用測(cè)定鋼的臨界點(diǎn)測(cè)定鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)（TTT曲線(xiàn)）測(cè)定鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)（CCT曲線(xiàn)）研究快速升溫時(shí)金屬相變及合金時(shí)效動(dòng)力學(xué)研究晶體缺陷Page

556.3材料的熱膨脹加熱速度對(duì)馬氏體時(shí)效鋼膨脹曲線(xiàn)的影響金屬間化合物沉淀生成a相及g相a相→g相馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體第55頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

566.3材料的熱膨脹

八、膨脹合金1.低膨脹合金：主要應(yīng)用于儀器儀表工業(yè)中，如應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)量尺、精密天平、標(biāo)準(zhǔn)電容、標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)的諧振腔等。也用于和高膨脹合金匹配制成熱雙金屬的熱敏元件。第56頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

576.3材料的熱膨脹

廣泛使用的有因瓦(4J36)和超因瓦合金(4J32和4J5)。在要求抗腐蝕條件下，不銹因瓦(4J9)也有一定應(yīng)用。第57頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

586.3材料的熱膨脹

2.定膨脹合金：主要是在電真空技術(shù)中用來(lái)和玻璃、陶瓷等封接而構(gòu)成電真空器件的結(jié)構(gòu)材料，故定膨脹合金(即可伐合金)也稱(chēng)封接合金。這類(lèi)合金的主要特點(diǎn)是膨脹系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)基本不變。并和被封接材料匹配。定膨脹合金性能與用途第58頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

596.3材料的熱膨脹3.熱雙金屬：是由兩層膨脹系數(shù)不同的合金片沿層間接觸面焊合而成的復(fù)合材料。高膨脹系數(shù)的合金層稱(chēng)為主動(dòng)層，低膨脹系數(shù)的合金層稱(chēng)為被動(dòng)層。在加熱時(shí)，由于兩層的膨脹系數(shù)不同，主動(dòng)層伸長(zhǎng)很多，于是雙金屬片就向被動(dòng)層彎曲，從而把熱能簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，產(chǎn)生一定的力或位移，因而可作為各種測(cè)量或控制儀表的傳感元件，大量應(yīng)用在工業(yè)和家用電器中。第59頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

606.4材料的導(dǎo)熱性一、熱傳導(dǎo)的宏觀(guān)規(guī)律及微觀(guān)機(jī)制

一塊材料溫度不均勻或兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸，熱量便會(huì)自動(dòng)地從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)傳播，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。不同的應(yīng)用對(duì)材料的導(dǎo)熱性要求不同，低導(dǎo)熱性—加熱爐的爐襯材料、航天器的擋熱板；高導(dǎo)熱性—散熱器材料、電子信息材料。第60頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

616.4材料的導(dǎo)熱性1、傅立葉導(dǎo)熱定律（穩(wěn)定熱傳導(dǎo)）均勻金屬棒的兩端分別與兩恒溫?zé)嵩唇佑|熱平衡時(shí)各處的溫度不隨時(shí)間變化穩(wěn)態(tài)傳熱熱流密度(q)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)與熱傳導(dǎo)方向垂直的單位面積的熱能負(fù)號(hào)：熱能從高溫向低溫傳遞傅里葉導(dǎo)熱定律：熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)），其物理意義是指單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的熱量，所以它的單位為W/(m·K)或J/(m·s·K)。金屬合金非金屬液體絕熱材料大氣壓氣體第61頁(yè)/共105頁(yè)

通常熱傳導(dǎo)過(guò)程是不穩(wěn)定的傳熱過(guò)程，即傳熱過(guò)程中物體內(nèi)各處的溫度隨時(shí)間而變化，其溫度是時(shí)間t和位置x的函數(shù)，可導(dǎo)出：

r—密度，cp—恒壓比熱定義：

—熱擴(kuò)散率，即導(dǎo)溫系數(shù)物理意義：表征物體熱量傳輸能力的重要參數(shù)。相同加熱、冷卻的條件下，越大，物體各處溫差越小。

大，則溫度梯度小，試樣溫度比較均勻。

κ高，大。Page

626.4材料的導(dǎo)熱性2、熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）和熱阻第62頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

636.4材料的導(dǎo)熱性工程上選擇保溫材料和熱交換材料，除了考慮導(dǎo)熱系數(shù)κ和導(dǎo)溫系數(shù)外，還要考慮熱阻，其定義為

式中，ΔT為熱流量Φ通過(guò)的截面所具有的溫度差。單位為K/W，熱阻的倒數(shù)1/R為熱導(dǎo)，常用G表示。熱阻的物理意義：材料對(duì)熱傳導(dǎo)的阻隔能力。鍋爐、冷藏、石油液化、建筑結(jié)構(gòu)——隔熱

導(dǎo)熱——電子元件、葉片第63頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

646.4材料的導(dǎo)熱性3、導(dǎo)熱微觀(guān)機(jī)制

固體的組成質(zhì)點(diǎn)只能在平衡位置附近作微小振動(dòng)，不能像氣體依靠分子碰撞傳遞熱量。固體導(dǎo)熱機(jī)制：聲子（晶格振動(dòng)的格波）和自由電子的運(yùn)動(dòng)固體熱導(dǎo)率：聲子熱導(dǎo)率電子熱導(dǎo)率純金屬：以電子導(dǎo)熱為主非金屬和絕緣材料：以聲子導(dǎo)熱為主合金：電子和聲子共同起作用第64頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

656.4材料的導(dǎo)熱性二、金屬的熱傳導(dǎo)對(duì)于純金屬，導(dǎo)熱主要靠自由電子，而合金就要同時(shí)考慮聲子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)。理想氣體熱導(dǎo)率表達(dá)式：，式中：是分子平均運(yùn)動(dòng)速度，C是單位體積氣體熱容，l是分子運(yùn)動(dòng)平均自由程。設(shè)單位體積的自由電子數(shù)為n，則有第65頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

666.4材料的導(dǎo)熱性實(shí)際上：只有當(dāng)，金屬導(dǎo)熱主要由自由電子貢獻(xiàn)即，魏德曼—弗蘭茲定律才成立。1、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的關(guān)系在不太低的溫度下，金屬熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比正比于溫度，其中比例常數(shù)的值不依賴(lài)于具體金屬，此即魏德曼—弗蘭茲定律，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：為洛倫茲數(shù)。當(dāng)溫度高于QD時(shí)，對(duì)于電導(dǎo)率較高的金屬，公式一般都成立。但對(duì)于電導(dǎo)率低的金屬，在較低溫度下，L0是變數(shù)。第66頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

676.4材料的導(dǎo)熱性純金屬導(dǎo)熱性：高電導(dǎo)的金屬就有高的κ。

κ與溫度的關(guān)系：低溫時(shí)κ隨T升高而升高，到一定值時(shí)又急劇下降，并在熔點(diǎn)處達(dá)到最低值。晶粒大小的影響：一般晶粒粗大，κ高，晶粒愈細(xì)小，

κ愈低。立方晶系的κ與晶向無(wú)關(guān)，非立方晶系κ表現(xiàn)各向異性。所含雜質(zhì)強(qiáng)烈影響κ。2、熱導(dǎo)率及其影響因素合金導(dǎo)熱性：純金屬中摻入任何雜質(zhì)將破壞晶格的完整性，干擾自由電子的運(yùn)動(dòng)如常溫下：黃銅：70%Cu,30%Zn第67頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

686.4材料的導(dǎo)熱性三、無(wú)機(jī)非金屬材料的熱傳導(dǎo)1、無(wú)機(jī)非金屬材料熱傳導(dǎo)的微觀(guān)機(jī)理在絕大多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬的材料中，由于它的電子是被束縛的，因此不能成為導(dǎo)熱的載體，不能用電子導(dǎo)熱機(jī)制來(lái)解釋無(wú)機(jī)非金屬中的導(dǎo)熱現(xiàn)象。

無(wú)機(jī)非金屬熱能的傳導(dǎo)是靠晶格振動(dòng)的格波來(lái)傳遞的。晶格振動(dòng)的格波和物質(zhì)的相互作用理解為聲子和物質(zhì)的碰撞。格波在晶體中傳播受到散射的過(guò)程，可以理解為聲子與聲子間以及聲子與晶界、點(diǎn)陣缺陷等的碰撞。無(wú)機(jī)非金屬材料材料導(dǎo)熱的主要機(jī)制是聲子導(dǎo)熱，而晶格波可以分為聲頻支和光頻支兩類(lèi)。第68頁(yè)/共105頁(yè)聲子導(dǎo)熱：中低溫區(qū)主要導(dǎo)熱方式?？砂迅癫ǖ膫鞑タ闯墒琴|(zhì)點(diǎn)-聲子的運(yùn)動(dòng)，則格波與物質(zhì)的相互作用可理解為聲子和物質(zhì)的碰撞，把格波在晶體中傳播時(shí)遇到的散射看作是聲子同晶體中質(zhì)點(diǎn)的碰撞，把理想晶體中熱阻歸結(jié)為聲子間碰撞引起的散射。如同理想氣體一樣，可以把熱傳導(dǎo)視為聲子—聲子碰撞的結(jié)果。Page

696.4材料的導(dǎo)熱性無(wú)機(jī)非金屬的熱傳導(dǎo)公式：式中，C＝聲子體積熱容，l＝聲子平均自由程，＝聲子平均速度。第69頁(yè)/共105頁(yè)其輻射能量與溫度的四次方成正比，例如，黑體單位容積的輻射能為。式中，為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，n為折射率，c為光速。Page

706.4材料的導(dǎo)熱性光子導(dǎo)熱：高溫區(qū)主要導(dǎo)熱方式。偶極矩周期變化發(fā)射電磁波

由于輻射傳熱中，容積熱容相當(dāng)于提高輻射溫度所需能量同時(shí)則：κr為輻射熱導(dǎo)率，描述介質(zhì)中這種輻射能的傳熱能力。輻射線(xiàn)光子的平均自由程第70頁(yè)/共105頁(yè)2、影響無(wú)機(jī)非金屬材料熱導(dǎo)率的因素溫度的影響無(wú)機(jī)非金屬主要依靠聲子和光子導(dǎo)熱低溫區(qū)以聲子導(dǎo)熱為主，，κ隨溫度的上升而先升后降，趨于穩(wěn)定值高溫段光子導(dǎo)熱增加，κ隨溫度緩慢升高。對(duì)于一般的非金屬晶體材料，在常用溫度范圍內(nèi)，κ隨溫度的上升而下降A(chǔ)l2O3單晶的κ隨溫度的變化C=kT3T↑,κ↓Page

716.4材料的導(dǎo)熱性第71頁(yè)/共105頁(yè)晶體顯微結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動(dòng)的非線(xiàn)性程度越大，對(duì)聲子的散射越嚴(yán)重，平均自由程越小，κ越低。對(duì)于非等軸晶系的晶體，其熱導(dǎo)率存在各向異性，在膨脹系數(shù)低（結(jié)合力強(qiáng)）的方向κ大，隨溫度的升高，各向κ的差異減小。對(duì)于同一材料，多晶κ＜單晶κ，晶粒尺寸越大，熱導(dǎo)率越高。Page

726.4材料的導(dǎo)熱性第72頁(yè)/共105頁(yè)②從Fg段中溫到較高溫度(600～900K)，隨T升高，聲子熱容趨于一常數(shù)，故聲子導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)出現(xiàn)一條近平行于橫坐標(biāo)的直線(xiàn)。若考慮到此時(shí)光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)，F(xiàn)g變成Fg’段。Page

736.4材料的導(dǎo)熱性非晶體的熱導(dǎo)率非晶體熱導(dǎo)率曲線(xiàn)如右圖所示：①在OF段中低溫(400～600K)以下，光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)可忽略。聲子導(dǎo)熱隨T變化由聲子熱容隨T變化規(guī)律決定。③gh段高溫以上(＞900K)，隨著T升高，聲子導(dǎo)熱變化不大，相當(dāng)于gh段。但考慮光子導(dǎo)熱貢獻(xiàn)，則為gh→g’h’。第73頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

746.4材料的導(dǎo)熱性晶體與非晶體熱導(dǎo)率曲線(xiàn)的差別：①非晶體的κ(不考慮光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn))在所有溫度下都比晶體的小。②較高溫下，二者比較接近，因?yàn)槁曌訜崛菰诟邷叵露冀咏?R。③非晶體與晶體熱導(dǎo)率曲線(xiàn)的重大區(qū)別是前者沒(méi)有熱導(dǎo)率極大值點(diǎn)m。這也說(shuō)明非晶體物質(zhì)的聲子平均自由程在所有溫度范圍內(nèi)均接近為一常數(shù)。晶體和非晶體材料的熱導(dǎo)率曲線(xiàn)κ第74頁(yè)/共105頁(yè)化學(xué)組成的影響組成元素的原子量越小，晶體密度越小，楊氏模量越大，QD越高，其κ越大。輕元素的固體或結(jié)合能大的固體κ較大。形成固溶體時(shí)晶格畸變，缺陷增多，散射增加，κ減小。溶質(zhì)元素的質(zhì)量、大小與溶劑元素相差愈大，對(duì)κ影響愈大。Co,Ni

對(duì)Fe的熱導(dǎo)率影響較小,Al,Si的影響較大。雜質(zhì)在低溫的影響比在高溫的影響更強(qiáng)烈。基體金屬的熱導(dǎo)率越高，合金元素對(duì)其導(dǎo)熱性能影響越大。Ni對(duì)Cu導(dǎo)熱性能的影響比對(duì)Fe的影響大。Page

756.4材料的導(dǎo)熱性第75頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

766.4材料的導(dǎo)熱性3、復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率對(duì)于分散相均勻地分散在連續(xù)相中的復(fù)相陶瓷材料，其熱導(dǎo)率可按下式計(jì)算式中：

κc，κd分別為連續(xù)相和分散相物質(zhì)的熱導(dǎo)率，jd為分散相的體積分?jǐn)?shù)。若分散相為氣相，氣孔率與氣孔尺寸均很小，分布較均勻，不考慮氣孔熱導(dǎo)率，低溫c/d>>1，則熱導(dǎo)率為式中：κs是固相的熱導(dǎo)率，j氣孔是氣孔的體積分?jǐn)?shù)。第76頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

776.4材料的導(dǎo)熱性L(fǎng)oeb考慮了氣孔的輻射傳熱，導(dǎo)出了更精確的計(jì)算公式：式中：P是氣孔面積分?jǐn)?shù)，PL是氣孔長(zhǎng)度分?jǐn)?shù)，ε是輻射面的熱發(fā)射率；G是幾何因子：順向長(zhǎng)條氣孔G=1，橫向圓柱形氣孔G=π/4，球形氣孔G=2/3；d是氣孔最大尺寸。氣孔率高的多孔輕質(zhì)材料κ比一般材料的低，用于隔熱耐火材料無(wú)論在高溫或低溫，小尺寸氣孔顯著降低熱輻射傳熱高溫時(shí)，大的氣孔不僅不降低熱傳遞，而且隨著溫度的增加，會(huì)增加有效κ

。粉末、纖維材料中氣孔為連續(xù)相，其κ比燒結(jié)狀態(tài)時(shí)(固體為連續(xù)相)低得多第77頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

786.4材料的導(dǎo)熱性無(wú)機(jī)非金屬材料的熱導(dǎo)率計(jì)算實(shí)例A1203，BeO和MgO等的κ隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式

通常低溫時(shí)有較高κ的材料，隨著T升高，κ降低。如A12O3，BeO和MgO等，其熱導(dǎo)率經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：T是熱力學(xué)溫度(K)；A是常數(shù)。

例如：=16.2，=18.8，=55.4。上式適用的溫度范圍，Al2O3和MgO是293～2073K，BeO是1273～2073K。第78頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

796.4材料的導(dǎo)熱性玻璃體的κ隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式玻璃體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而緩慢增大。高于773K，由于輻射傳熱的效應(yīng)使熱導(dǎo)率有較快的上升，其經(jīng)驗(yàn)方程式如下:式中：

T是熱力學(xué)溫度(K)，C和d為常數(shù)。某些建筑材料、粘土質(zhì)耐火磚以及保溫磚等的κ隨溫度升高線(xiàn)性增大，其經(jīng)驗(yàn)公式

κ0是0oC時(shí)材料的熱導(dǎo)率，b是與材料有關(guān)的常數(shù)，t是溫度(oC)。

第79頁(yè)/共105頁(yè)四、熱導(dǎo)率的測(cè)量1、穩(wěn)態(tài)測(cè)試在穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)下，試樣上各點(diǎn)溫度穩(wěn)定不變，溫度梯度和熱流密度也穩(wěn)定不變，根據(jù)所測(cè)得的溫度梯度和熱流密度，就可按傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算材料的熱導(dǎo)率。關(guān)鍵：控制和測(cè)量熱流密度，使旁向熱流減至最小。為保證溫度梯度測(cè)量的精確度，要求在有效的距離內(nèi)有較大的溫差。Page

806.4材料的導(dǎo)熱性第80頁(yè)/共105頁(yè)2、動(dòng)態(tài)(非穩(wěn)態(tài))測(cè)試根據(jù)試樣溫度隨時(shí)間的變化情況來(lái)測(cè)量材料的熱傳導(dǎo)性能。在已知材料比熱容后，可以算出熱導(dǎo)率。這種測(cè)試方法主要有閃光法，這種方法所使用的設(shè)備——激光熱導(dǎo)儀。特點(diǎn)：測(cè)量速度快，熱損失小，適合測(cè)量高溫下傳熱情況需要測(cè)量材料的比熱容。Page

816.4材料的導(dǎo)熱性激光熱導(dǎo)儀結(jié)構(gòu)示意圖第81頁(yè)/共105頁(yè)五、熱導(dǎo)率的應(yīng)用熱導(dǎo)率是工程上選擇保溫或熱交換材料時(shí)所依據(jù)的主要參數(shù)之一是金屬材料熱處理計(jì)算保溫時(shí)間的一個(gè)重要參數(shù)，并對(duì)鋼件淬火產(chǎn)生的熱應(yīng)力有很大的影響在核反應(yīng)堆中，燃料元件的最高反應(yīng)溫度直接與這些元件的熱導(dǎo)率有關(guān)，顯著影響反應(yīng)的效率。隔熱耐火材料要求低熱導(dǎo)率電子信息材料要求高熱導(dǎo)率Page

826.4材料的導(dǎo)熱性第82頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

836.5材料的熱電性一、熱電效應(yīng)1、塞貝克效應(yīng)

當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體在兩個(gè)接觸點(diǎn)存在溫差時(shí)，如果是閉合回路的話(huà)就會(huì)產(chǎn)生電流，而如果是斷路的話(huà)就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，此即為塞貝克效應(yīng)。SAB稱(chēng)為A、B間的相對(duì)塞貝克系數(shù)，是有方向性的。ΔT>0第83頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

846.5材料的熱電性2、珀耳帖效應(yīng)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體所形成的閉合回路通以電流的時(shí)候，會(huì)在兩個(gè)接觸點(diǎn)產(chǎn)生一端吸熱，另一端放熱的現(xiàn)象。當(dāng)電流方向反向時(shí)，則吸、放熱接頭改變，這種效應(yīng)稱(chēng)為珀耳帖效應(yīng)，它滿(mǎn)足下式式中，qAB為接觸點(diǎn)吸收珀耳帖熱量的速度，ΠAB為導(dǎo)體A、B間相對(duì)珀耳帖系數(shù)，I為通過(guò)的電流強(qiáng)度。第84頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

856.5材料的熱電性exothermic3、湯姆遜效應(yīng)

當(dāng)一根均勻?qū)w或半導(dǎo)體在兩端存在溫差以及有電流通過(guò)時(shí)，會(huì)在此導(dǎo)體或半導(dǎo)體上產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象，電流方向與導(dǎo)線(xiàn)中的熱流方向一致時(shí)產(chǎn)生放熱效應(yīng)，反之產(chǎn)生吸熱效應(yīng)，此即為湯姆遜效應(yīng)。若其產(chǎn)生的熱吸收率qA，則有式中，qA為導(dǎo)體A的湯姆遜系數(shù)，j為電流密度。第85頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

866.5材料的熱電性二、絕對(duì)熱電勢(shì)系數(shù)一對(duì)熱電偶的相對(duì)塞貝克系數(shù)可由組成熱電偶的每支導(dǎo)體的絕對(duì)塞貝克系數(shù)算出，而事實(shí)上，絕對(duì)塞貝克系數(shù)一般名稱(chēng)就是絕對(duì)熱電勢(shì)系數(shù)，也稱(chēng)絕對(duì)熱電勢(shì)率，簡(jiǎn)稱(chēng)熱電勢(shì)系數(shù)，用S表示。溫差熱電勢(shì)系數(shù)產(chǎn)生示意圖++++++++++熱冷熱電子流第86頁(yè)/共105頁(yè)用量子力學(xué)方法處理金屬熱電性的一般問(wèn)題，可得到S的一般表達(dá)式：對(duì)于正常金屬和合金，在德拜溫度以上，上式是有效的。對(duì)于單價(jià)貴金屬，其熱電勢(shì)系數(shù)S表達(dá)式為對(duì)于過(guò)渡族金屬，由于能帶中s和d帶重合，則S為Page

876.5材料的熱電性熱電勢(shì)系數(shù)隨溫度變化具有良好的線(xiàn)性第87頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

886.5材料的熱電性三、熱電性的應(yīng)用及熱電材料熱電性的應(yīng)用分為以下幾個(gè)方面：通過(guò)熱電性測(cè)試，分析金屬材料組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，例如——馬氏體回火；利用塞貝克效應(yīng)用于熱電偶測(cè)量；利用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電；利用珀耳帖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電致冷。第88頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

896.5材料的熱電性測(cè)溫用熱電極材料熱電極要求具有以下三種熱電性質(zhì):它們的熱電勢(shì)與溫度關(guān)系具有良好的線(xiàn)性關(guān)系；熱電系數(shù)S要盡量大；材料性質(zhì)具有復(fù)制性和溫度—熱電勢(shì)關(guān)系穩(wěn)定性。正是熱穩(wěn)定性的要求，因此這些合金電極材料大都是置換固溶體。熱電偶回路定律一：如果兩支均勻的同質(zhì)電極構(gòu)成一熱電回路，則回路熱電勢(shì)為0。熱電偶回路定律二：如果均勻?qū)w兩端沒(méi)有溫度差存在時(shí)，盡管在導(dǎo)體上存在溫度梯度，其通過(guò)導(dǎo)體的凈熱電勢(shì)仍為0。由此可以推論，只要結(jié)點(diǎn)處不存在溫度差，則串聯(lián)多個(gè)這樣導(dǎo)體，并不影響熱電勢(shì)的刻度結(jié)果，該定律稱(chēng)中間導(dǎo)體定律。第89頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

906.5材料的熱電性則塞貝克公式可改寫(xiě)為：上式所表述的定律稱(chēng)為連續(xù)溫度定律：均勻?qū)w組成熱電偶測(cè)溫的熱電勢(shì)可以是同一熱電偶各溫度間隔所測(cè)熱電勢(shì)之和。鉑基熱電偶材料特點(diǎn):純Pt具有高的熔點(diǎn)，抗氧化性強(qiáng)，比其他熱電偶穩(wěn)定，廣泛用做參考電極。注意鉑基熱電偶不能使用的環(huán)境：1、中子輻射環(huán)境；2、真空或還原氣氛下；3、含有P、S、As或Zn、Cd、Hg、Pb的氣氛第90頁(yè)/共105頁(yè)應(yīng)用場(chǎng)合不同，對(duì)材料熱穩(wěn)定性的要求不同。熱沖擊損壞的兩種類(lèi)型：1）材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂（抗熱沖擊斷裂性）；2）在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開(kāi)裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)（抗熱沖擊損傷性）。熱穩(wěn)定性的理論解釋尚不完善，數(shù)學(xué)模型建立困難，對(duì)材料熱穩(wěn)定性的評(píng)定一般采用直觀(guān)的測(cè)定方法。Page

916.6材料的熱穩(wěn)定性一、熱穩(wěn)定性的表征熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力，又稱(chēng)為抗熱震性。第91頁(yè)/共105頁(yè)熱應(yīng)力的來(lái)源：1、熱脹冷縮受到限制產(chǎn)生的熱應(yīng)力當(dāng)桿件的溫度從T0升到T′后，產(chǎn)生的熱應(yīng)力σ可由下式計(jì)算式中：E＝彈性模量，α＝熱膨脹系數(shù)。若上述情況是發(fā)生在冷卻過(guò)程中，即T0>T′，則材料中熱應(yīng)力為張應(yīng)力（正值），這種應(yīng)力會(huì)使桿件斷裂。Page

926.6材料的熱穩(wěn)定性二、熱應(yīng)力僅由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力，它會(huì)導(dǎo)致材料的斷裂破壞、不希望的塑性變形。第92頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)age

936.6材料的熱穩(wěn)定性2、溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力物體迅速加熱時(shí)，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相鄰的內(nèi)部材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力，而相鄰內(nèi)部材料受拉