《材料物理性能》课程教学课件（讲稿）第四章 材料的热学性能 第一节 材料的热容 第二节 材料的热膨胀

第四章材料的热学性能 ●第一节材料的热容 ●第二节材料的热膨胀 ●第三节材料的热传导 ●第四节材料的热稳定性

第四章 材料的热学性能 第一节 材料的热容 第二节 材料的热膨胀 第三节 材料的热传导 第四节 材料的热稳定性

引言 。 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1c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的 寒量。 在制造和使用过程中进行热处理时，热容和热导率决定了陶瓷体 中温度变化的速率，这些性能是决定抗热应力的基础，同时也决 定操作温度和温度梯度。 ·对于用作隔热体的材料来说，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。 在陶瓷配方的发展中，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许多最常见的困难是起因宇温度 所起的尺守变化

引言 • 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1oC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的 热量）。 • 在制造和使用过程中进行热处理时，热容和热导率决定了陶瓷体 中温度变化的速率，这些性能是决定抗热应力的基础，同时也决 定操作温度和温度梯度。 • 对于用作隔热体的材料来说，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。 • 在陶瓷配方的发展中，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许多最常见的困难是起因于温度 所引起的尺寸变化

无机材料的晶格热振动 材料的各种热性能的物理本质，均与晶格热振动 有关。晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着平 衡位置作微小振动，称为晶格热振动。 热性能的物理本质：晶格热振动（lattice heat vibration),根据牛顿第二定律，简谐振动方程 (simple harmonic vibration equation)为： =fx+1+xn-1-2xn） 式中： B=微观弹性模量(micro-elastic-modulus) m=质点质量(mass), x=质点在x方向上位移(displacement)

无机材料的晶格热振动 材料的各种热性能的物理本质，均与晶格热振动 有关。晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着平 衡位置作微小振动，称为晶格热振动。 热性能的物理本质：晶格热振动（lattice heat vibration），根据牛顿第二定律，简谐振动方程 （simple harmonic vibration equation）为：

一维单原子链的振动模型： 原子间距（晶格常量）为a,原子质量为m。 第n-2个原子 第l个原子第个原子 第+1个原子第+2个原子 ◆Wm·Wm◆WWm·WWW◆ tU+顺wg Kn- Xn+1 Xn+2

一维单原子链的振动模型: 原子间距(晶格常量)为a，原子质量为m

另外，立（动能kinetic energy)i=热量(quantity of heat) 即：各质点热运动时动能总和就是该物体的 热量。弹性波（格波）：是多频率振动的 组合波，包括振动频率低的声频支和振动 频率高的光频支

另外, (动能kinetic energy)i=热量（quantity of heat） 即：各质点热运动时动能总和就是该物体的 热量。弹性波（格波）：是多频率振动的 组合波，包括振动频率低的声频支和振动 频率高的光频支。 ∑= N i 1

格波 由于材料中质点间有着很强的相互作用力，因此 一个质点的振动会使邻近质点随之振动，因相邻质点间的振动 存在着一定的位相差，使晶格振动以弹性波的形式在整个材料 内传播。该弹性波是多频率振动的组合波。 ·声频支格波一一如果振动着的质点中包含频率甚低 的格波，质点彼此之间的位相差不大，则格波类似于 弹性体中的应变波。可以看成是相邻原子具有相同的 振动方向。 。 光频支振动一一格波中频率甚高的振动波，质点间 的位相差很大，临近质点的运动几乎相反时，频率往 往在红外光区。可以看成相邻原子振动方向相反，形 成了一个范围很小，频率很高的振动。 离子晶体具有很强的红外光吸收特性，这也就是这支 格波被称为光频支的原因

格波——由于材料中质点间有着很强的相互作用力，因此 一个质点的振动会使邻近质点随之振动，因相邻质点间的振动 存在着一定的位相差，使晶格振动以弹性波的形式在整个材料 内传播。该弹性波是多频率振动的组合波。 • 声频支格波——如果振动着的质点中包含频率甚低 的格波，质点彼此之间的位相差不大，则格波类似于 弹性体中的应变波。可以看成是相邻原子具有相同的 振动方向。 • 光频支振动——格波中频率甚高的振动波，质点间 的位相差很大，临近质点的运动几乎相反时，频率往 往在红外光区。可以看成相邻原子振动方向相反，形 成了一个范围很小，频率很高的振动。 • 离子晶体具有很强的红外光吸收特性，这也就是这支 格波被称为光频支的原因

长声学波，相邻原子的位移相同，原胞内的不同原子以相 同的振幅和位相作整体运动。因此，可以说，长声学波代表了 原胞质心的运动。 长光学波，原胞的质心保持不动。所以定性地说，长光学 波代表原胞中两个原子的相对振动。 光学波 声学波 光学支格波，相邻原 声学支格波，相邻原子振 子振动方向是相反的。 动方向是相同的

长声学波，相邻原子的位移相同，原胞内的不同原子以相 同的振幅和位相作整体运动。因此，可以说，长声学波代表了 原胞质心的运动。 长光学波，原胞的质心保持不动。所以定性地说，长光学 波代表原胞中两个原子的相对振动

4.1无机材料的热容 热容定义 热容是使材料温度升高1k所需的能量，它是提高材料 温度所需的能量的度量。它反映材料从周围环境中吸 收热量的能力，不同温度下，热容不同

4.1 无机材料的热容 热容定义 – 热容是使材料温度升高1k所需的能量，它是提高材料 温度所需的能量的度量。它反映材料从周围环境中吸 收热量的能力，不同温度下，热容不同。 T t T Q C       ∂ ∂ ＝

热容的分类 口比热容 J1(k·g) 口摩尔热容 J(k·mo) 口平均热容 C均 L-T 口恒压热容 (ae 口恒容热容 c-器，-

热容的分类  比热容  平均热容  摩尔热容  恒压热容  恒容热容 T2 T1 Q C － 均 ＝ p p p T H T Q C       ∂ ∂  =      ∂ ∂ ＝ v v v T E T Q C       ∂ ∂  =      ∂ ∂ ＝

无机材料的热容 般有Cp>Cv,Cp测定简单，Cv更有理论意义。 它们间的关系为： cp -c,=a'VT/B 其中 dy B=- dy VdT Vdp 为体积膨胀系数 为压缩系数

无机材料的热容 一般有 Cp > Cv， Cp测定简单，Cv更有理论意义。 它们间的关系为： 其中 为体积膨胀系数 为压缩系数 α 0 / β 2 c p − cv = V T VdT dV α = Vdp dV β = −