1、第三節(jié) 材料的熱性能,一、材料的熱容,1、經典熱容理論,2、愛因斯坦熱容模型,3、德拜熱容模型,二、材料的熱膨脹,二、材料的熱膨脹,1、熱膨脹系數(shù),所有材料都有熱脹冷縮性,平均線熱膨脹系數(shù)：,熱膨脹系數(shù),溫度 T1 時的試樣長度；,溫度 T2 時的試樣長度,平均體熱膨脹系數(shù)：,溫度 T1 時的試樣體積；,溫度 T2 時的試樣體積,熱膨脹系數(shù)一般是溫度的函數(shù),線熱膨脹系數(shù)和體熱膨脹系數(shù),2、熱膨脹的起因,溫度 T 時的線熱膨脹系數(shù)：,溫度 T 時的體熱膨脹系數(shù)：,熱膨脹系數(shù)是工程上重要的物理參數(shù)之一：,許多材料的線熱膨脹系數(shù)是各相異性,各向同性材料（立方系）：,材料間的封接，真空系統(tǒng)中要求材料的

2、熱膨脹系數(shù)相近、否則易漏氣；多晶、多相的復雜結構的材料中，各相、各方向膨脹系數(shù)的不同會引起熱應力,熱膨脹的本質：,原子平均距離隨溫度的增大,起因于：,原子間作用力隨距離非線性變化、原子的振動是非簡諧振動,距離,力,引力,斥力,合力,平衡位置 (合力為零)的兩側合力曲線的斜率不等,0,原子相互作用勢能曲線,勢能曲線關于 處的虛線不對稱,原子間作用力,作用力和勢能曲線的斜率較大；,作用力和勢能曲線的斜率較小；,0,3、影響熱膨脹因素,0,原子振動時的平均距離：,溫度越高、振幅越大，原子在平衡位置兩側受力的不對稱越顯著，新平衡位置右移越多、 越大，晶體膨脹越大。,溫度 T、平均位置,原子振動能量,原

3、子平均間距隨溫度的變化：,熱膨脹與結構有關：,非晶材料屬液相結構，材料的熱膨脹除起因于原子間距的增大外、還與材料中的自由體積（未被原子占據的空穴）的膨脹有關,熱膨脹與原子結合鍵有關：,結合鍵強、熱膨脹小,離子鍵、共價鍵結合的材料：熱膨脹?。?以共價鍵和范德瓦爾斯結合的聚合物：熱膨脹系數(shù)最大,金屬鍵：具有中等的熱膨脹系數(shù)；,三、材料的導熱性,1、傅里葉導熱定律,材料溫度不均勻時，或兩溫度不同的物體相接觸時，熱量自動從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞,熱傳導：,均勻金屬棒的兩端分別與兩恒溫熱源接觸,熱平衡時各處的溫度不隨時間變化,穩(wěn)態(tài),熱流密度：單位時間內通過與熱傳導方向垂直的,單位面積的熱能,通過金屬棒的熱流

4、密度：,負號：熱能從高溫向低溫傳遞,熱導率，,單位：,熱導率反映材料的導熱能力、不同材料的導熱能力差異很大,絕緣材料：,金屬：,合金：,非金屬：,2、熱傳導機理（微觀機制）,固體的組成質點只能在平衡位置附近作微小振動，不能像氣體依靠分子碰撞傳遞熱量,固體導熱機制：聲子（晶格振動的晶格波）和自由電子,固體熱導率：,聲子熱導率,電子熱導率,非金屬材料：,以聲子導熱為主,純金屬：,以電子導熱為主,合金：,電子和聲子共同起作用,a、金屬的熱導率,金屬主要熱載流子 自由電子 （電載流子）,熱導率和電導率間的聯(lián)系：,不太低的溫度下,（Wiedemann Franz 首先發(fā)現(xiàn)）,金屬熱導率與電導率之比正比于

5、溫度,洛侖茲系數(shù) (Lorentz number),理論值：,b、合金的熱導率,如同合金的電導率比純金屬的電導率，,合金,金屬,原因：合金中的自由電子受合金晶格、,雜質、非均勻相的散射強烈,10,20,30,40,組成，,熱導率,Cu Zn 合金熱導率隨Zn 含量的變化,Zn 含量增加、熱導率下降,c、非金屬 （ 陶瓷）、聚合物的熱導率,傳遞熱量的熱載流子主要是聲子,陶瓷的組成和結構遠比金屬復雜：,除晶相、還包括玻璃相及一定的空隙,聲子在傳播時受原子構成高度無序的不均勻相的強烈地散射,熱的不良導體、熱導率遠小于金屬,陶瓷中的空隙對熱導率影響最大，空隙率高、導熱率低,多孔陶瓷、多孔聚合物,絕熱材

6、料,四、材料的熱應力,材料熱脹或冷縮引起的內應力,熱應力：,引起材料塑性變形、特性變化、甚至斷裂,熱應力主要來源下列三個方面：,1、熱脹冷縮受到限制產生的熱應力,均質、各向同性的棒，受到均勻加熱或冷卻、棒內不存在溫度梯度,若棒兩端未被夾持：,棒能自由膨脹或收縮、內部無熱應力,若棒兩端被剛性固定：,溫度：,熱應力：,彈性模量；,應變、線性相對變化量,加熱時,棒受壓縮應力作用；,冷卻時,棒受拉伸應力作用,2、溫度梯度產生的熱應力,材料受熱或冷卻時，內部溫度分布與其形狀、大小及熱導率，和溫度變化率有關,3、多相復合材料中各相膨脹系數(shù)不同引起的熱應力,材料中若有溫度梯度，引起熱應力,例：材料被從外部迅

7、速加熱或冷卻：,加熱：表面比內部溫度高、表面膨脹比內部大，相鄰的,內部限制表面的自由膨脹，表面受到壓應力、相鄰內部受到拉應力,冷卻：表面受拉應力、相鄰內部受壓應力,與情況2類似,不是機械力的約束、而是各相間膨脹、收縮的相互制約引起,第四節(jié) 材料的光學性質,光在高科技的地位不斷提高，電子器件和光子器件融合、光集成器件是重要的研究方向,一、光的屬性、光與物質的作用,1、光的屬性回顧,光的波動性與粒子性,有些情況波動性占主導地位；有些情況粒子性占主導地位,波動性與粒子性的聯(lián)系方程：,光子能量,通常意義的光 可見光：,電磁破,光（電磁）波 橫波，兩個振動矢量：,電場強度,傳播方向,磁場強度,電磁波在真

8、空中傳播速度：,電磁波在介質中傳播速度：,介質的相對介電常數(shù)和相對磁導率,2、光與物質的作用,從一種介質（空氣）入射另一種介質的光成為四部分：,反射、透射、散射、吸收部分,入射光束強度，,反射強度，,透射強度，,散射強度，,吸收強度,反射率、透射率、散射率、吸收率,金屬對可見光不透明,入射光,反射,吸收,b、電子能態(tài)轉變,光與物質間作用的實質,光子與物質中的原子、離子、電子間的相互作用,兩種主要作用：電子極化和電子能態(tài)變化,a、電子極化,光波中電場分量對物質的作用遠大于磁場分量的作用,光波的交變電場引起的電子位移極化,電子極化:,電子極化吸收部分光能、引起光速減小、導致光的折射,光子的吸收或散

9、射一般涉及電子能態(tài)的轉變,光子因被吸收或被散射而消失或改變方向和能量；電子因吸收光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài),孤立原子吸收光子的情況：,頻率為 的入射光子,能量,E2 能級上的電子只有吸收能量為,的光子，才能到達 E4 能級,孤立原子能級是分立能級，電子對吸收光子的能量有嚴格的要求,電子能級,晶體吸收光子的情況：,晶體中、原來孤立原子的分立能級被準連續(xù)的能帶所取代,孤立原子,晶體,易于實現(xiàn),躍遷條件,躍遷輻射：激發(fā)的逆過程,電子在激發(fā)態(tài)停留時間很短，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)、產生電磁輻射，過程可是直接、也可是間接,二、金屬的光學特性,入射光子,能量,費米能級,滿態(tài),空態(tài),金屬的光學性質與金屬的能帶密切有關,費米能級以上為準連續(xù)的空能級；以下為充滿電子的準連續(xù)的能級,（絕對零度下）,除高頻電磁輻射 射線、 射線外，幾乎所有的低頻輻射光子（無線電波 紫外），都能被吸收,金屬對可見光不透明：,入射光,反射,吸收,任意光子 總能找到一個空能級 E、滿足躍遷條件：,以下的占有電子能級,金屬不透明， 厚的金箔幾乎可吸收全