材料物理性能课件第七章热学性能

· 热重法(Thermogravimetry)： 测量质量与温度的关系 。 · 用途： 测量有机物分解温度 ， 研究高聚物的热稳定性
TIM
Ni(OH)2
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（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
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（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18

e kT
hi
2
e kT 1
4.1.2.1 爱因斯坦模型
假设：晶体中所有原子都以相同的频率振动。
h
CV
3Nk
h
kT
2
e kT
h
2
ekT 1
12
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适当选取频率υ，可以使理论与实验吻合，又因为 R N，k
令e
h k
， 则可以改写为：
CV
3R
E
T
2
E
eT
E
2
=3Rf E
U (r)
U (r0 )
dU dr
r0
x
21!
d 2U dr2
r0
x2
31!
d 3U dr3
r0
x3
......
上式实际为：
U (r)
U
(r0
)
1 x 2
2
1 3
x 3
......
如果略去上式中得x3项及更高次项，则相互作用的势能为：
U
(r)
U
(r0
)
1 2
x
2
这时的势能曲线为抛物线型的。如不略去x3项，那么：
两个经验定律
一是元素的热容定律——杜隆-珀替定律： 恒压下元素的原子热容等于25 J/(K·mol)
另一个是化合物的热容定律——柯普定律： 化合物分子热容等于构成此该化合物各元素原子热容之和。 但轻元素的原子热容不能用25 J/(K·mol)
根据晶格振动理论，在固体中可以用谐振子来代表每个原子在 一个自由度的振动，按照经典理论能量按自由度均分，每一振 动自由度的平均动能和平均位能都为kT/2，一个原子有三个振 动自由度，平均动能和位能的总和等于3kT。

• 材料性能概述 • 力学性能 • 热学性能 • 物理性能
CHAPTER
定义与分类
材料性能是指材料在某种特定条件下的表现，包括力学、热学、光学、电学、磁学 等方面的性能。
材料性能的分类可以根据不同的标准进行划分，如按材料的组成成分、结构特点、 制备工艺等。
不同种类的材料具有不同的性能特点，因此需要根据实际应用场景选择合适的材料。
1. 高分子材料的结晶度、分子量及其分布对物理和化学 性能的影响规律；
详细描述 2. 高分子材料的热稳定性、耐候性及化学稳定性；
3. 高分子材料的可塑性、弹性及耐磨性等物理性能；
4. 高分子材料的制备工艺、改性及复合强化等措施对 性能的影响。
案例三：纳米材料的物理与化学性能研究
• 总结词：纳米材料具有尺寸效应和量子效应等特点，在光电、 催化、生物医药等领域具有广泛的应用前景，研究其物理和化 学性能对于开发新产品、提高应用效果具有重要意义。
结果评估
根据试验数据和分析结果， 对材料的性能进行综合评 估，提出改进意见和建议。
CHAPTER
案例一：新型合金材料的力学与热学性能研究
总结词：合金材料在航空航天、汽车等领域应用广泛，研 究其力学和热学性能对于提高产品质量、降低成本具有重 要意义。
2. 合金材料的强化机制和优化方法；
详细描述
3. 合金材料在高温、低温等极端条件下的性能表现及稳 定性；
透射系数
描述材料对光透射能力的参数， 与玻璃等材料的透光性相关。
吸收系数
描述材料对光吸收能力的参数， 与光的穿透深度有关。
折射系数
描述光在材料中传播方向改变 程度的参数，与光的偏振现象
相关。
CHAPTER
实验室测试

3
无机材料物理性能
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热应力实际是材料膨胀的应力，有： =E 所以， =(370103MPa) (8.58 10-3) =3170MPa
无机材料物理性能
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抗热冲击断裂性能

第一热应力断裂抵抗因子R
f (1 ) R E

评估的基础：材料中的热应力不大于材料的强度 不足：将问题绝对化，没有考虑材料的性能、应力的 分布、产生的速率和时间等
无机材料物理性能
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晶态固体热容的量子理论
是固体物理学的内容，在教材中有 在比较低的温度，Cv=AT3 Above Debye temperature, Cv=3R

无机材料物理性能
8
无机材料的热容

材料的热容和温度关系由实验决定，一 般采用如下经验公式(这在今后的工作及 研究中十分常见，如热力学计算)：
Vt Vc (1 v t )
无机材料物理性能 10

实质：原子的热振动 无机材料的热导率小于金属材料和高分 子材料
无机材料物理性能
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体膨胀系数和线膨胀系数可以根据基础的物理 和数学知识推导。如立方体是：v3l 当材料在使用中有明显温度变化，热膨胀系数 是材料非常重要的性能，热应力是由于热膨胀 系数不同
无机材料物理性能
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陶瓷制品表面的釉的热膨胀系数小于陶 瓷胚体的热膨胀系数 合适的热膨胀系数是材料制备和性能中 重要的因素
无机材料物理性能
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例题

一根1m长的Al2O3 炉管从室温 (25oC)加热 到1000oC时，假使在此过程中，材料的热 膨胀系数为8.810-6 mm/(mm•oC) ，计算 管的膨胀量是多少？

1 m
式中：Q为热量，E为内能，H为焓
cp cv
cpcv V 2VmT/
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高分子材料的热容随温度的变化
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表7-1 一些工程材料的比热容
陶瓷 氧化铝 氧化镁 熔融氧化硅 钙钠玻璃
Cp,m
金属
775 铝 940 铁 740 镍 840 316不锈钢
Cp,m
高聚物
第7章 高分子材料的热学性能
本章内容
热学性能：包括热容，热膨胀和热传导等。 本章讨论热学性能的物理概念、物理本质、影响因素、 测量方法及在高分子材料研究中的应用。
热容、热膨胀、热传导 高聚物的形变-温度曲线 高分子材料的耐热性 高分子材料的热稳定性 热分析在高分子材料研究中的应用
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热膨胀与其他性能的关系 1 热膨胀和热容的关系
热膨胀系数与热容 密切相关并有着相 似的规律
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2 热膨胀和结合能、熔点的关系
➢结合力越强的材料，热膨胀系数越小 ➢结合能大的熔点较高， 通常熔点高、膨胀系数小
格留乃申晶体热膨胀极限方程：
T m (V T mV 0)/V 0C
VTm为熔点温度时的体积；V0为0K时的体积； 立方和六方金属，C为0.06~0.076
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影响材料热膨胀系数的因素
1 化学成分 成分相同的材料，结构不同，热膨胀系数也不同
2 键强度 键强度高的材料，有低的热膨胀系数
3 晶体结构 结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而非晶态
结构比较松散的材料，有较小的热膨胀系数
辐射传热中，容积热容相当于提高辐射温度所需能量

3：实际材料热容的经验公式
固体材料CP与温度T的关系应由实验精确测定，大多数材料 经验公式如下
C p, m a bT cT
式中：CP，m的单位为4.18 J/ (k· mol)， a；b；c系数可以通过相关资料给出
2
第三节 热膨胀
一、热膨胀系数（Thermal expansion coefficient）
物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀
l l T l0
式中，αl＝线膨胀系数 即温度升高1K时，物体的相对伸长
物体在温度 T 时的长度LT为
lT l0 l l0 (1 l T )
同理，物体体积随温度的增加可表示为
VT V (1 V .T )
第一节
热学性能的物理基础
热性能的物理本质：晶格热振动（lattice heat vibration）
声子的概念
设原子间以弹性力相联系，等效弹性系数为ke，只考虑相邻 原子的相互作用，根据HOOK定律，可得运动方程为
m1 2 n 1 k e ( x2 n 2 x2 n 2 x2 n 1 ) x m2 2 n k e ( x2 n 1 x2 n 1 2 x2 n ) x
1）杜隆-珀替(Dulong-Petit)理论 （元素的热容定律） 恒压下元素的原子热容为25J/(K.mol) 2）柯普定律（化合物的热容定律） 化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和 理论解释：C=Σnici 其中，ni＝化合物中元素i的原子数 ci＝元素 i 的摩尔热容
3）经典理论
NaCl的摩尔热容－温度曲线
三、爱因斯坦模型（Einstein model）
假设：
晶体中每一个原子都是一个独立的振子，原子之间彼此无 关；所有原子都以相同的频率振动；振动能量是量子化的 根据量子力学热容理论得：

差熱分析（Differential Thermal Analysis，簡稱DTA）是指在程 式升（降）溫過程中，由於樣品的吸、放熱效應，測量在樣 品和參比物之間形成的溫度差，這種熱效應是由於樣品在特 定溫度相轉變或發生反應所產生的。DTA儀器的基本原理如 圖1.4所示，儀器由爐子、樣品支持器（包括試樣和參比物容 器、溫度敏感元件與支架等）、微伏放大器、溫差檢知器、 爐溫程式控制器、記錄器以及爐子和樣品支持器的氣氛控制 設備組成。
材料物理與性能
材料的熱學性能
熱學性能是材料的重要物理性能之一，材料的熱學性能主要包 括熱容、熱膨脹、熱傳導、熱輻射、熱電勢、熱穩定性等。 由於材料在所處環境和使用過程中都會受到熱影響或者產生 熱效應，當所處環境需要材料具有特殊熱學性能（如熱隔絕 性能、高的導熱性能等）時，研究材料的熱學性能就顯得尤 為重要。材料的熱學性能在工程技術中佔有重要地位，如航 太航空工程必須選用具有特殊熱學性能的材料以達到抵抗高 熱、低溫的目的；熱交換器材料必須選用具有合適導熱係數 的材料等。此外，材料的組織結構發生變化時通常會伴隨一 定的熱效應，對熱性能的分析已經成為材料科學研究中重要 的手段之一，在通過確定臨界點並判斷材料的相變特徵時有 著十分重要的意義。
1.4.2.1聲子和聲子傳導
根據量子理論、一個諧振子的能量是不連續的，能量的變化不 能取任意值，而只能是最小能量單元——量子的整數倍。一 個量子所具有的能量為h 。晶格振動的能量同樣是量子化的。
我們把聲頻支格波看成是一種彈性波，類似於在固體中傳播的 聲波。因此，就把聲頻波的量子稱為聲子。其具有的能量 為h h 。
1.1.1熱力學第一定律
熱力學第一定律是一條實驗定律，把能量定義為物質的一種屬 性，表述為外界對系統傳遞熱量的一部分使系統的內能增加， 另一部分用於系統對外做功。運算式為