《材料物理性能》课程教学课件（PPT讲稿）第三部分 无机材料的热学性能

第四章无机材料的热学性能 >热学性能的应用 >热学性能的物理基础 >热容 >热膨胀 >热传导 >热稳定性

第四章 无机材料的热学性能 ➢ 热学性能的应用 ➢ 热学性能的物理基础 ➢ 热容 ➢ 热膨胀 ➢ 热传导 ➢ 热稳定性

热学性能的应用 材料及其制品都在一定的温度环境下使用，在使用过程中， 将对不同的温度作出反映，表现出不同的热物理性能，这些热 物理性能就称为材料的热学性能。 我们主要关心的热学性能是： >热容：改变温度水平所需的热量 > 热膨胀系数：温度变化1℃时体积或线尺寸的相对变化 >热导率：每单位温度梯度时通过物体所传导热量 >热稳定性：承受温度的急剧变化而不致破坏的能力

我们主要关心的热学性能是： ➢ 热容：改变温度水平所需的热量 ➢ 热膨胀系数：温度变化1℃时体积或线尺寸的相对变化 ➢ 热导率：每单位温度梯度时通过物体所传导热量 ➢ 热稳定性：承受温度的急剧变化而不致破坏的能力 材料及其制品都在一定的温度环境下使用，在使用过程中， 将对不同的温度作出反映，表现出不同的热物理性能，这些热 物理性能就称为材料的热学性能。 热学性能的应用

热学性能的应用 一、在陶瓷制备和使用中的应用 >热处理时，热容和热导率决定了陶瓷体中温度变化的速率， 是决定抗热应力的基础，同时也决定操作温度和温度梯度。 用作隔热材料时，低的热导率是必需的性能。 >陶瓷体或组织中的不同组分由于温度变化而产生不均匀膨 胀，能够引起相当大的应力。在研制合适的涂层、釉和搪瓷 以及将陶瓷和其他材料结合使用时所发生的最常见的困难是 起因于温度所引起的尺寸变化

热学性能的应用 ➢ 热处理时，热容和热导率决定了陶瓷体中温度变化的速率， 是决定抗热应力的基础，同时也决定操作温度和温度梯度。 用作隔热材料时，低的热导率是必需的性能。 ➢ 陶瓷体或组织中的不同组分由于温度变化而产生不均匀膨 胀，能够引起相当大的应力。在研制合适的涂层、釉和搪瓷 以及将陶瓷和其他材料结合使用时所发生的最常见的困难是 起因于温度所引起的尺寸变化。 一、在陶瓷制备和使用中的应用

二、在保温材料中的应用 >据推算，我国各类窑炉和输热管道，由于保温不善，每年的热 损失折合标煤约为30004000万吨。若能使热减少15~20%，就 可节约标煤600~800万吨，而保温材料节能技术关键点如下： √保温材料的优选和保温材料结构的优化设计： 关键热性能参数是材料的导热系数，要求最小入（热导率)值时 相对应的最佳容重和最佳内部结构

二、在保温材料中的应用 ➢ 据推算，我国各类窑炉和输热管道，由于保温不善，每年的热 损失折合标煤约为3000～4000万吨。若能使热减少15～20%，就 可节约标煤600～800万吨，而保温材料节能技术关键点如下： ✓ 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计： 关键热性能参数是材料的导热系数，要求最小λ（热导率）值时 相对应的最佳容重和最佳内部结构

三、在电子技术和计算机技术中的应用 在超大规模集成电路中，要求集成块的基底材料导热性能优 良，以免集成块温度骤增，热噪声增大。关键是寻找出既能 绝缘，又具有高导热系数的材料。日本已发明了一种高导热 性的特种碳化硅陶瓷，其导热系数比一般碳化硅高一个数量 级，比氧化铝高14倍，且热膨胀性能与半导体硅相匹配。 > 彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部的有机绝 缘片，为了散热而要求具有良好的热导性

三、在电子技术和计算机技术中的应用 ➢ 在超大规模集成电路中，要求集成块的基底材料导热性能优 良，以免集成块温度骤增，热噪声增大。关键是寻找出既能 绝缘，又具有高导热系数的材料。日本已发明了一种高导热 性的特种碳化硅陶瓷，其导热系数比一般碳化硅高一个数量 级，比氧化铝高14倍，且热膨胀性能与半导体硅相匹配。 ➢ 彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部的有机绝 缘片，为了散热而要求具有良好的热导性

热学性能的物理基础 1、热性能的物理本质 升华 热容 热传 晶格热振动 热膨胀 热稳定性 熔化 热性能的物理本质：晶格热振动

热学性能的物理基础 热容 热膨胀 热传 导 热稳定性 升华 熔化 晶格热振动 热性能的物理本质:晶格热振动 1、热性能的物理本质

2、晶格热振动的定义及特点 晶格热振动：固体材料是由构成材料的质点（原子、 离子)按一定晶格点阵排列堆积而成，一定温度下， 点阵中的质点总是围绕其平衡位置作微小的振动 称为晶格热振动。 晶格热振动是非简谐振动； 晶格热振动是三维的； 晶格热振动是诸质点的集体振动。 "∑ (动能)=热量 各质点热运动时动能总和就是该物体的热量！

晶格热振动是非简谐振动； 晶格热振动是三维的； 晶格热振动是诸质点的集体振动。 晶格热振动：固体材料是由构成材料的质点（原 子、 离子）按一定晶格点阵排列堆积而成，一定温度下， 点阵中的质点总是围绕其平衡位置作微小的振动， 称为晶格热振动。 1 n i=  （动能）i =热量 各质点热运动时动能总和就是该物体的热量! 2、晶格热振动的定义及特点

3、简谐振动 简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比 方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动；或物 体的运动参量（位移、速度、加速度）随时间按正弦 或余弦规律变化的振动。 X=AcoS(2πt/T+p) 式中：X为位移；A为振幅，即质点 离开平衡位置时(x=O)的最大位移绝 对值；为时间；T为简谐振动的周期； 围】筒谐振动曲线 (2πt/T+p)为简谐振动的位相

3、简谐振动 ⚫ 简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比、 方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动；或物 体的运动参量（位移、速度、加速度）随时间按正弦 或余弦规律变化的振动。 X A t T = + cos(2 / )   (2 / )   t T + 式中：X为位移；A为振幅，即质点 离开平衡位置时(x=0) 的最大位移绝 对值；t为时间；T为简谐振动的周期； 为简谐振动的位相

4、原子的简谐振动和非简谐振动 斥力 引力 简谐振动 非简谐振动 F-r线性 Fr非线性 原子间力与原子间距关系F-)图 温度↑，振幅和振动频率↑，质点的平衡位置改变， 相邻间质点平均距离↑，表现出非简谐振动的特点

r 斥力 引力 ro r F 简谐振动 F-r 线性 非简谐振动 F-r 非线性 原子间力与原子间距关系(F-r)图 4、原子的简谐振动和非简谐振动 温度↑，振幅和振动频率↑，质点的平衡位置改变， 相邻间质点平均距离↑，表现出非简谐振动的特点

5、一维单原子晶格的线性振动方程 -/ n+I ￥街期多②多M 牛顿第二定律： 之+ :醐同t后OAM⑦WW⑦M F=d(my)/dt B d=Bcos(xnl+X1a） d 式中：m一每个质点的质量 一微观弹性模量，与质点间作用力性质有关的常数。对于每个 质点，B不同即每个质点在热振动时都有一定的频率。材料内有N 个质点，就有N个频率的振动组合一起

5、一维单原子晶格的线性振动方程 2 2 1 1 2 cos( ) n n n n d x m x x x dt  = + −  + − 牛顿第二定律： F=d(mv)/dt 式中：m—每个质点的质量； β—微观弹性模量，与质点间作用力性质有关的常数。对于每个 质点，β不同即每个质点在热振动时都有一定的频率。材料内有N 个质点，就有N个频率的振动组合一起