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第6章_材料的热学性能

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材料的热学性能

材料的热学性能

材料的热学性能
材料的热学性能是指材料在热学方面的性质和特性，包括热传导、热膨胀、比
热容等。

这些性能对于材料的应用和工程设计具有重要意义。

下面将分别介绍材料的热传导、热膨胀和比热容这三个方面的性能。

首先，热传导是材料的一个重要热学性能。

热传导是指材料内部热量传递的能力。

热传导系数是衡量材料热传导性能的一个重要参数。

通常情况下，金属材料的热传导性能较好，而绝缘材料的热传导性能较差。

在工程设计中，需要根据材料的热传导性能选择合适的材料，以确保热量能够有效传递和分布。

其次，热膨胀是材料的另一个重要热学性能。

热膨胀系数是衡量材料热膨胀性
能的参数。

当材料受热时，由于分子热运动增强，材料会膨胀。

不同材料的热膨胀性能各不相同，这对于工程设计和材料选择都具有重要影响。

例如，在建筑工程中，需要考虑材料的热膨胀性能，以避免因温度变化引起的结构变形和损坏。

最后，比热容是材料的又一个重要热学性能。

比热容是指单位质量材料升高1
摄氏度所需吸收或放出的热量。

不同材料的比热容各不相同，这也会对材料的热学性能产生影响。

在工程设计中，需要考虑材料的比热容，以确保在温度变化时能够有效地储存或释放热量。

综上所述，材料的热学性能对于材料的应用和工程设计具有重要意义。

热传导、热膨胀和比热容是材料的重要热学性能，它们直接影响着材料在温度变化时的性能表现。

因此，在工程设计和材料选择中，需要充分考虑材料的热学性能，以确保材料能够满足实际应用的需求。

设计材料化学知识点总结

设计材料化学知识点总结

设计材料化学知识点总结1. 材料的热力学性质在材料化学中，热力学性质是研究材料的物理性质和化学性质之间相互关系的一个重要部分。

热力学性质包括热容、热导率、热膨胀系数等。

热容是指物质在吸热或放热过程中所需要的热量，可以用于描述材料的热稳定性和热传导性。

热导率是指材料在热量传导过程中的导热能力，可以用于描述材料的热传导性能。

热膨胀系数是指材料在温度变化时的线性膨胀系数，可以用于描述材料的热膨胀性能。

了解材料的热力学性质可以帮助人们选择合适的材料，并设计出具有特定热稳定性、热传导性和热膨胀性能的材料。

2. 材料的结构性质材料的结构性质是指材料在原子、分子或离子水平上的结构特征。

包括晶体结构和非晶结构。

晶体结构是指材料中的原子、分子或离子按照一定的规则排列形成的有序结构，具有明确的晶体学特征。

非晶结构是指材料中的原子、分子或离子排列是无序的，没有明确的晶体学特征。

了解材料的结构性质可以帮助人们理解材料的物理性质和化学性质，并为材料的设计和制备提供重要的理论基础。

3. 材料的电化学性质材料的电化学性质是指材料在电场作用下的特性。

包括电导率、电化学稳定性、电化学活性等。

电导率是指材料在电场作用下的导电能力，可以用于描述材料的导电性能。

电化学稳定性是指材料在电化学反应过程中的稳定性，可以用于描述材料的防腐蚀性能。

电化学活性是指材料在电化学反应中的活性能力，可以用于描述材料的催化性能。

了解材料的电化学性质可以帮助人们设计和制备具有特定导电性能、防腐蚀性能和催化性能的材料。

4. 材料的表面性质材料的表面性质是指材料表面的物理和化学特性。

包括表面能、表面粗糙度、表面形貌等。

表面能是指材料表面吸附能力的大小，可以用于描述材料的表面活性。

表面粗糙度是指材料表面的粗糙程度，可以用于描述材料的表面质量和功能性。

表面形貌是指材料表面的形状和结构特征，可以用于描述材料的外观和几何形状。

了解材料的表面性质可以帮助人们设计和制备具有特定表面活性、表面质量和表面几何形状的材料。

材料的导热性

材料的导热性

材料的导热性材料的导热性是指材料在温度梯度作用下传递热量的能力。

导热性是材料的一个重要物理性质，对于材料的热传导过程具有重要的影响。

在工程领域中，对材料的导热性能进行研究和评价，可以为材料的选用和设计提供重要的参考依据。

一般来说，金属材料具有较好的导热性能，而绝缘材料的导热性能较差。

导热性能与材料的内部结构、晶体结构、原子排列方式等密切相关。

在材料的微观结构中，晶格的排列方式、晶界的存在、晶粒的尺寸等因素都会对导热性能产生影响。

导热性的大小可以通过导热系数来表征。

导热系数是指单位厚度的材料在单位温度梯度下传热时的热流密度，通常用λ表示。

在国际单位制中，导热系数的单位为W/(m·K)。

导热系数越大，材料的导热性能越好。

导热性的研究对于材料的应用具有重要的意义。

在工程领域中，对于需要进行热传导的部件或设备，需要选用具有良好导热性能的材料，以确保热量的有效传递。

例如，在制冷设备中，导热性能良好的材料可以提高制冷效率，降低能耗。

在电子器件中，导热性能良好的材料可以有效散热，提高设备的稳定性和可靠性。

此外，导热性的研究也对材料的改性和优化具有重要的指导意义。

通过改变材料的微观结构和晶体结构，可以有效地调控材料的导热性能。

例如，通过合金化、晶粒细化、晶界工程等手段，可以显著提高材料的导热性能，从而扩大材料的应用范围。

总之，材料的导热性是材料科学中一个重要的研究内容，对于材料的选用、设计和改性具有重要的意义。

通过对导热性的深入研究，可以为材料科学和工程技术的发展提供重要的支撑，推动材料领域的创新与进步。

材料性能学课程教学大纲

材料性能学课程教学大纲

《材料性能学》课程教学大纲课程名称（英文）：材料性能学（Properties of Materials）课程类型：学科基础课总学时： 72 理论学时： 60 实验（或上机）学时： 12学分：4.5适用对象：金属材料工程一、课程的性质、目的和任务本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课，内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。

力学性能以金属材料为主，系统介绍材料的静载拉伸力学性能；其它载荷下的力学性能，包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等；断裂韧性；变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能；摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。

物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质，各种影响因素，测试方法及应用。

通过本课程的学习，使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义，了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径，初步具备合理的选材和设计，开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。

在学习本课程之前，学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。

二、课程基本要求根据课程的性质与任务，对本课程提出下列基本要求：1．要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。

2．能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发，了解不同失效现象的微观机理，掌握工程材料（金属材料为主）各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法，明确它们之间的相互关系，并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。

3．掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素，熟悉其测试方法及其分析方法，初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方案的能力。

三、课程内容及学时分配总学时72，课堂教学60学时，实验12学时。

纺织材料学 (于伟东-中国纺织出版社)第6章

纺织材料学 (于伟东-中国纺织出版社)第6章

二、热对纺织材料性能的影响
（一）、两种转变和三种力学状态 1、非晶态高聚物的热机械曲线（温度—变形曲线）
玻 璃 态
玻 璃 化 转 变 区
高 弹 态
粘 弹 转 变 区
粘 流 态
lgE
玻 璃 态
玻 璃 化 转 变 区
高 弹 态
粘 弹 转 变 区
粘 流 态
温度（℃ ）
温度（℃ ）
曲线上有两个斜率突变区—玻璃化转变区、粘弹转变区。 呈现三种不同的力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态
20天 92 70 62 73 90 82 100 100 100
80天 68 41 26 39 62 43 96 100 100
100 100 100 100 100 100 100 100 100
（5）分解点：纤维发生化学分解时的温度。
（二）耐热性和热稳定性
耐热性：纺织纤维经热作用后力学性能的保持性 叫耐热性。 图
热稳定性：纤维在热的作用下结构形态和组成 的稳定性。
1、质量与组成的稳定性
裂解：高分子主链的断裂，导致分子量下降，材料的机械 性能恶化。
2、结构的稳定性
热作用下，纤维的聚集态结构发生变化，结晶度下降， 取向度下降。
LOI＝ VO2 VO2 V N 2 100%
LOI大，难燃；LOI小，易燃。
（2）点燃温度、燃烧时间和燃烧温度
点燃温度：纤维产生燃烧所需最低温度。 燃烧时间：纤维放入燃烧环境中，从放入到燃烧所需时间。 燃烧温度：材料燃烧时的火焰区中的最高温度值。
3、提高纤维材料难燃性的途径
阻燃整理（纯棉、化纤） 制造难燃纤维（合成纤维）
3、影响热定型效果的因素：温度、时间、张力
定型温度大于玻璃化温度，低于软化点和熔点。

材料科学基础第6章

材料科学基础第6章
2 − 3cos θ + cos 3 θ 4
所以∆Ghet﹡ ﹤ ∆Ghom﹡ 由此可见，一般情况下，非均匀形核比均匀形核所需的形核功小， 且随润湿角的减小而减小。
（二）形核率 1、非均匀形核时在较小的过冷度下可获得较高的形核率 2、随过冷度的增大,形核速度值由低向高过渡较为平衡 3、随过冷度的增大形核速度达到最大后，曲线就下降并中断 4、最大形核率小于均匀形核
∆G = V ∆GV + σ A
∆G = 4 3 π r ∆GV + 4π r 2σ 3
r<r*时，晶胚长大将导致系统自由能的 增加，这种晶胚不稳定，瞬时形成，瞬时消失。 r>r*时，随晶胚长大，系统自由能降低， 凝固过程自动进行。 r=r*时，可能长大，也可能熔化，两种 趋势都是使自由能降低的过程，将r*的晶胚称 为临界晶核，只有那些略大于临界半径的晶核， 才能作为稳定晶核而长大，所以金属凝固时， 晶核必须要求等于或大于临界晶核。 极值点处
凝固：物质由液态至固态的转变。 6.2.1 液态结构 一、液态结构的特征： ① 液体中原子间的平均距离比固体略大 ② 液体中原子的配位数比密排结构的配位数减小（8～11范围内） ③ 结构起伏（相起伏） 二、结构起伏 不断变换着的近程有序原子集团，大小不等，时而产生，时而 消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不稳定现象称 为结构起伏。 温度越低，结构起伏尺寸越大。
ϕ r = 1 − exp( − kt n )
图6.2 自由能随温度变化的示意图
液→固，单位体积自由能的变化∆ Gv为
∆ G V = G S − G L = H S − TS S − ( H = (H S − H L ) − T (S S − S L ) = − Lm − T (S S − S L )

材料的电学性能

材料的电学性能
34
电阻的本质 电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产 生阻碍作用，降低了导电性。 电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将 不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。
35
能带理论认为：导带中的电子可在晶格中自由运 动——电子波通过理想晶体点阵(0K)时不受散射， 电阻为0——破坏晶格周期性的因素对电子的散射 形成电阻
10
2、迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在
电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为 S 1cm2 ，在单位体积 1cm3 内载流子数
为ncm3 ，每一载流子的电荷量为q ，则单位体积内参加导
电的自由电荷为nq 。
11
电导率为 J nqv
EE
令 v E （载流子的迁移率）。其物理意义为载流
(金属的纯度和完整性)
41
理想晶体和实际晶体在 低温时的电阻率－温度 关系
e2n F e2nlF
m mvF
与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但
其豫时中间的、F、平l均F、自vF由分程别和是运费动米速面度附。近的电子的弛
——可以成功地解释一价的碱金属的电导。 但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂， 电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才 能解释其导电性。
的温度。
在T<<D的低温，有 T5
在2K以下的极低温，声子对电子的散射效应变得很微弱， 电子－电子之间的散射构成了电阻的主要机制，此时有：
T2
理想晶体的电阻总是随温度的升高而升高。
38
定义＝1/lF为散射系数
1
m * vF e2n *lF
1 lF
由于实际材料总是有杂质和缺陷的，所以对实际材 料散射系数可表示为

第6章：固体材料的热力学状态：自由能、相图、相和组织

第6章：固体材料的热力学状态：自由能、相图、相和组织
○ 材料组织结构的变化及其他过程行为的了解→要进行 细节、机理、速度等的分析 ——动力学;
○物化中处理理想气体及一般化学反应居多，现要用于 复杂的固态材料。
6.1 材料系统中自由能与相平衡 (Phase equilibrium)
6.1.1 材料系统的热力学描述
(1) 系统与环境（system and environment) 系统：即研究对象，一块材料， 1mol 物质， 1个 晶粒，1个碳化物粒子……。 环境：系统外（与之相联系）的其余部分。
定量表达式：S = K lnW W为微观状态数（热力学几率）
具体有分布状态的混合熵、振动方式的振动熵等。
理解熵的三要点（可作判据、熵值计算、无序度的度量）
6.1.2 自由能（ free energy)
孤立系统不现实，故熵增原理判断过程方向不方便。
合并Ⅰ、Ⅱ律：dU=δQ + δW， δQ≤TdS 得: dU－TdS ≤ δ W，
材料系统多为多元系，增加成分变数 → 要用
化学热力学与化学势(位)。
由H = U+PV，dH = dU+PdV+VdP = TdS PdV+PdV+VdP=TdS+VdP
G = H-TS，dG = dH-TdS-SdT=TdS+VdP TdS-SdT = -SdT（恒P）
多元系：定义 →
μi≡
（
G ni
第六章 固体材料的热力学状态：自由 能、相图、相和组织
6.1 材料系统中自由能与相平衡 6.2 材料系统中影响自由能的因素 6.3 材料系统多相平衡的自由能曲线与材料相图 6.4 金属和陶瓷的的一元相图与二元相图 6.5 金属与陶瓷材料中的相组成 6.6 单相与多相组织形貌及对材料性能的影响

材料的热性能

材料的热性能

材料的热性能
材料的热性能是指材料在热力学条件下的热传导、热膨胀、比热容等性能表现。

热性能的好坏直接影响着材料在实际工程中的应用效果，因此对于材料的热性能进行深入的研究和分析具有重要意义。

首先，热传导是材料热性能的重要指标之一。

热传导是指材料内部传热的能力，通常用热导率来表示。

热导率越大，材料的热传导能力越强。

在实际工程中，需要考虑材料的热传导性能，以确保材料在高温或低温环境下的稳定性和安全性。

其次，材料的热膨胀性能也是热性能的重要指标之一。

材料在受热时会发生热
膨胀，而热膨胀系数则是衡量材料热膨胀性能的重要参数。

热膨胀系数大的材料在受热时容易发生变形或开裂，而热膨胀系数小的材料则具有较好的热膨胀性能，适用于高温环境下的工程应用。

另外，比热容也是反映材料热性能的重要参数之一。

比热容是指单位质量材料
升高1摄氏度所需的热量，通常用来描述材料的热惯性。

比热容大的材料在受热时能够吸收更多的热量，具有较好的热稳定性，适用于需要长时间保持稳定温度的工程场合。

综上所述，材料的热性能是影响材料工程应用的重要因素。

在材料设计和选材
过程中，需要充分考虑材料的热传导、热膨胀、比热容等性能，以确保材料在实际工程中具有良好的热稳定性和安全性。

因此，对材料的热性能进行深入的研究和分析，对于提高材料工程应用的效果具有重要意义。

纺织物理第6章

纺织物理第6章

导热系数矩阵：
第二节 纤维的导热性质
3. 材料热传导中的热阻 （1）单层平壁热阻
（2）对流换热边界热阻
（4）稳态传热网络热阻
（3）接触热阻
第二节 纤维的导热性质
三、导热机理与表达 1 分子导热机理 2. 电子导热机理 3. 声子导热机理
4. 光子导热机理
第二节 纤维的导热性质
四、纤维材料的热传导机理 1. 导热机制的多重性 对于纤维高聚物而言，结构复杂、具有孔隙、大多能透光，故其导热的形式 有：分子导热、电子导热、声子导热、光子导热，以声子导热为主。 2. 晶相与非晶相的导热规律 （1）非晶体的导热系数 （2）晶体的导热系数 （3）晶相与非晶相的比例
《高等纺织材料学》
杜赵群
（东华大学纺织学院） 2013年-2014年第1学期
《高等纺织材料学》
第六章 纤维的热学性质
第一节 纤维的热力学状态与性质
一、纤维的热力学状态与转变 1. 非晶态高聚物的热力学状态与转变 三态两转变： （1）玻璃态 （2）高弹态 （3）粘流态 （4）玻璃化转变区 （5）粘弹转变区
2.动态热机械分析法(DMA）的基本原理
第四节 纤维的热分析技术
3 TMA和DMA的应用 （1）玻璃化温度 （2）高聚物松弛行为
第四节 纤维的热分析技术
四、热重分析法 1. 热重法的基本原理 2. 热重法的应用 评价物质的热稳定性。
第五节 纤维的热定形
一、纤维材料定形的一般概念 是纤维材料在温度和外力作用下发生变形，并受物理、化学处理，使 其应力松弛达到稳定。 包括：暂时性（定形在随后的使用中会消失）； 半永久性（能抵御一般轻微作用的定形，但给予激烈地处理，也会消 失）； 永久性定形（通过定性纤维结构发生变化而不能复原的定形。 二、热定形的物理原理

无机材料的热学性能 热容

无机材料的热学性能 热容
固态物质的热容和温度直接相关，解释和明晰这种 关系，需要使用固体的热容经验理论：
经验定律 A. 杜隆·伯替定律－Dulong-petit
把气体分子的热容理论直接应用于固体，利用经 典的统计力学处理计算：如果晶体有N个原子，那么 总的平均能量就是：
杜隆·伯替定律 不考虑原子之间的相互作用
那么mol热容就是：
即光学波对热容的贡献可
以忽略. 也就是说, 在甚低温下, 不考虑光学波对
热容的贡献是合理的.
从声子能量来说, 光学波声子的能量
很
大(大于短声学波声子的能量), 它对应振幅很大的
格波的振动, 这种振动只有温度很高时才能得到
激发.
因此, 在甚低温下, 晶体中不存在光学波.
在低温下, 德拜模型为什么与实验相符?
也就是说 没考虑声学波对热容的贡献，是爱因斯坦模 型在低温下与实验存在偏差的根源.
影响热容的因素： 1. 温度对热容的影响
高于德拜温度时，热容趋于常数，低于德拜温度时， 与(T / D)3成正比。 2. 键强、弹性模量、熔点的影响 德拜温度约为熔点的0.2—0.5倍。
3. 合金组份的影响 单个元素在合金中的热容和纯物质中一样，合金热 容等于每个组成元素与质量百分比的乘积之和
3. 无机材料的热容对材料的结构不敏感. 相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。
根据热容选材：
材料升高一度，需吸收的热量不 同，吸收热量小，热损耗小，同 一组成，质量不同热容也不同， 质量轻，热容小。
对于隔热材料，需使用轻质隔热 砖，便于炉体迅速升温，同时降 低热量损耗。
影响金属热容的因素
1. 自由电子对金属材料热容的贡献:
多孔材料质量轻， 体积热容小。例： 硅藻土，泡沫刚

第6章 材料的热学性质

第6章 材料的热学性质
• 晶格振动是在弹性范围内原子的不断交替聚拢和分离，这 种运动具有波的形式, 称之为晶格波； • 晶格振动的能量是量子化的，与电磁波的光子类似, 点阵波 的能量量子称为声子； • 晶体热振动就是热激发声子； • 根据原子热振动的特点, 从理论上阐明了热容的物理本质, 并建立了热容随温度变化的定量关系, 其发展过程是从经典 热容理论—杜隆-珀替(Dulong-Petit ) 定律经爱因斯坦量子 热容理论到较为完善的德拜量子热容理论, 以及其后对德拜 热容理论的完善发展。
• 对于大多数固体材料：
德拜模型理论与实验比较（圆点为实验值）
16
1.材料热容
德拜量子热容理论结果的讨论：
1. 当温度T >> QD 时，上式近似为CV 3NkB，与经典理论的结 果一致； 2. 在非常低的温度下，只有长波的激发是主要的，对于长波晶 格是可以看作连续介质的。因此德拜理论在温度越低的条件 下，符合越好； 3. 当温度T << QD 时，德拜公式可写为：
变 的石 热英 容向 变 化石 英 转
ab-Βιβλιοθήκη 311.材料热容CuCl2磁性转变对热容的影响 铁加热时热容的影响
二级相变，如磁性转变、部分有序－无序转变、超导转变等， 热容在转变温度附近发生剧烈变化，但为有限值。
32
2.材料热膨胀
2.1热膨胀现象的起源
• 固体材料热膨胀本征上归结于晶体结构中质 点间平均距离随温度升高而增大，其原因是 原子的非简谐振动。 • 相邻质点间的作用力是非线性的。 1. r< r0：合力曲线斜率较大，合力随位移增 大很快； 2. r> r0：斜率较小，合力随位移增大要慢一 些； 温度越高，质点振幅越大，在r0处不对称情况 越显著，平衡位置向右移动越多，引起热膨胀。

材料物理与性能知识点

材料物理与性能知识点
4·材料在塑性变形时，位错密度大大增加，从而使材料出现加工硬化。当外加应力超过屈服强度时，位错开始滑移。如果位错在滑移面上遇上障碍物，就会被障碍物钉住而难以继续滑移。
5·热弹性高分子材料在塑性变形时的硬化现象，其原因不是加工硬化，而是长链分子发生了重新排列甚至晶化。
6·加工硬化原理（此是考试重点）：经过冷加工的金属材料位错密度大大增大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行的滑移的阻力也越大，这就是加工硬化原理。
3·缩颈：韧性金属材料在拉伸实验时变形集中于局部区域的特殊现象，他是应变硬化和截面积减小共同作业结果。
第四章 导电物理与性能
1.导电原理极其主要特征：（个人认为必考）
经典自由电子导电理论，连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动。
量子自由电子理论，不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动。
2）抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂，剥落并不断发展，最终失效或断裂；材料抵抗这类破坏的能力。
7·热膨胀的物理本质归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。
8·热传导的微观机理：声子传导和光子传导。
第二章-缺陷物理与性能
1·晶体缺陷的类型 分类方式：
电子云位移极化的特点：
a) 极化所需时间极短，在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；
b)具有弹性，没有能量损耗。
c)温度对电子式极化影响不大。
3·离子位移极化：正、负离子产生相对位移.
主要存在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷等。
离子位移极化的特点：
a) 时间很短，在频率不太高时，可以认为ε与频率无关；
第一章-材料的热学性能
1·杜隆-珀替将气体分子的热容理论直接应用于固体,从而提出了杜隆－珀替定律（元素的热容定律）：恒压下元素的原子热容为。实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别在高温时符合的更好。

材料力学性能 习题解答

材料力学性能 习题解答

第6章 热学性能 习题解答名词解释：格波：晶格振动波。

声子：晶格振动波的量子化，严格意义上是晶格简谐振动的量子化。

光子：光波的量子化。

声频支振动：晶格振动波的振动频率在声频范围。

光频支振动：晶格振动波的振动频率在声频范围。

热容: “当一系统由于加给一微小的热量dQ 而温度升高dT 时，dQ/dT 这个量即是该系统的热容。

”（GB3102.4-93）即单位温度升高时所需要的热量。

杜隆—珀替定律：无论晶体属于何种类型，其比热容（单位焦耳／（开尔文·千克））均为3R/MM ，其中R 为普适气体常数（单位焦耳／（开尔文·摩尔））MM 为摩尔质量（单位千克／摩尔）。

热膨胀系数：实际应用中，有两种主要的热膨胀系数，分别是：线性热膨胀系数(CLTE)：体积热膨胀系数：热导率：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。

热应力：温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。

又称变温应力。

综合题：1． 热容的本质是什么？dT dx Q t S λ∆⨯∆⨯∆=-答案：物体分子对热量的敏感程度和反应强度。

敏感程度决定吸收多少热；反应强度决定升高多少温度。

这些与分子结构,分子间距离有关。

2. 阐述晶态固体的热容随温度的变化规律。

用经典理论解释热容的经验理论。

❖答案：高温下： C V =3N A K B=3R；低温下： C V正比于 T3。

能量均分3．德拜热容理论取得了什么成功?讨论德拜热容理论在实际应用中的优点及不足。

❖答案：高温下： C V =3N A K B=3R；低温下： C V正比于 T3。

理论与实验数据符合得比较好。

计算复杂。

4．影响热容的因素有哪些？答案：过程，等温过程，等压过程。

5．什么是非简谐振动？由于非简谐振动，引起声子发生怎样的变化？答案：非简谐振动，引起声子导热。

6．阐述固体材料的热膨胀机理。

答案：固体材料中原子受力不对称，导致热膨胀。

材料物理性能

材料物理性能

第一章热学性能1、热容热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1k所需要增加的能量2、金属高聚物的热容本质及比较大小高聚物多为部分结晶或无定形结构，热容不一定符合理论式。

大多数高聚物的比热容在玻璃化温度以下比较小，温度升高至玻璃化转变点时，分子运动单位发生变化，热运动加剧，热容出现阶梯式变化。

高分子材料的比热容由化学结构决定，温度升高，使链段振动加剧，而高聚物是长链，使之改变运动状态较困难，因而需提供更多的能量。

一般而言，高聚物的比热容比金属和无机材料大。

3、热膨胀的物理本质物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。

材料的热膨胀是由于原子间距增大的结果，而原子间距是指晶格结点上原子振动的平衡位置间的距离。

材料温度一定时，原子振动但平衡位置保持不变，材料不随温度升高而发生膨胀；而温度升高，振动中心右移，原子间距增大，材料产生热膨胀。

4、化学键对热膨胀的影响材料的膨胀系数与化学键强度密切相关。

对分子晶体而言，膨胀系数大；而由共价键相连接的材料，膨胀系数小的多。

对于高聚物来说，长链分子中的原子沿链方向是共价键相连接的，近邻分子间的相互作用是弱的范德华力，因此结晶高聚物和取向高聚物的热膨胀具有很大的各向异性。

5、从化学键角度比较高聚物的膨胀系数对于高聚物来说，长链分子中的原子沿链方向是共价键相连接的，近邻分子间的相互作用是弱的范德华力，因此结晶高聚物和取向高聚物的热膨胀具有很大的各向异性。

6、热膨胀与熔点、热容的关系（1）热膨胀与熔点的关系当固体晶体温度升高至熔点时，原子热运动将突破原子间结合力，使原有的固态晶体结构被破坏，物体从固态变成液态，所以，固态晶体的膨胀有极限值。

因此，固态晶体的熔点越高，其膨胀系数就越低。

（2）热膨胀与热容的关系热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大，每升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。

第6章 材料的热学性能

第6章 材料的热学性能

热力学性能的物理基础
热力学第一定律：
微分形式 热容C的表达式
Q E A
dQ dE dA
C lim
T 0
Q Q ( )T （J/K） T T
热容是物体温度升高1K所需要增加的能量。
显然，质量不同热容不同，温度不同热容也不同。比
热容单位— J /(k g ) , 摩尔热容单位— J /(k mol) 。
6.1.4.1一级相变
热力学分析已经证明，发生一级相变时，除有体积突变 外，还伴随相变潜热的发生。由图6.3可见一级相变时热 力学函数变化的特点。具有这类相变有，纯金属的三相 转变，同素异构转变，共晶、包晶，固态的共析转变 等，举例金属熔化p220。
6.1.4.2二级相变
这类转变转变大都发生在一个有限的温度范围，由图6.3b可见，发生 二级时，热焓H随温度升高逐渐增加，但不像一级相变发生突变，其 摩尔定压热容Cp.m在转变温度范围也有剧烈变化，但为有限值。转变 的热效应相当图中阴影线所示的面积，可用内插法求得。属于这类 转变的有磁性转变，bcc点阵的有序-无序转变及合金的超导转变。
拜T3定律，它与实验结果十分吻合，温度越低，近似
越好。
6.1.2 金属和合金的热容 6.1.2 .1 金属实验热容
温度很低时，原子振动热容（ C V .m ）满足徳拜热容公式，则电 子热容与原子热容之比为
A
C C
e V .M A V .M
5 kT D 3 2 0 T 24 EF
第六章 材料的热学性能
6.1 材料的热容
6.1.1固体热熔理论简介 6.1.2金属和合金的热熔 6.1.3陶瓷材料的热熔 6.1.4相变对热熔的影响
6.1.5热分析及其应用

消防工程学---第6-9章-建筑材料与构件

消防工程学---第6-9章-建筑材料与构件

6.2 钢材的高温性能
➢ 建筑用钢材：钢结构用钢材(各种型材、钢板)和钢筋 混凝土结构用钢筋两类。严格技术控制下生产的材料。
➢ 优点：强度大、塑性和韧性好、品质均匀、可焊 可铆、制成的钢结构重量轻。
➢ 防火：钢材－不燃性材料，耐火性能很差。
第七页，编辑于星期日：三点 二十五分。
• 6.2.1 钢的冶炼与分类
包括：组成构件材料的燃烧性能、构件耐火极限。
第十七页，编辑于星期日：三点 二十五分。
构件的燃烧性能
– 1)不燃性材料：火烧或高温－不起火、不微燃、 不炭化。如钢材、混凝土、砖、砂浆、石材、 陶瓷棉砖、石膏板、石棉瓦等。
– 2)难燃性材料：火烧或高温－难起火，火源移 走－燃烧停止。阻燃处理木材、塑料、板条抹 灰隔墙等。
耐火等级：衡量建筑物耐火程度的分级标准。
规定建筑物耐火等级：建筑防火设计技术措施。不同类型、性质建筑 物－耐火等级要求不同－消防安全、节约投资。
建筑物耐火等级作用：
– 火灾时，确保其一定时间内不破坏，不传播火灾，延缓和阻止火势的蔓延；
– 人们安全疏散提供必要的疏散时间，保证建筑物内的人员安全脱险； – 消防人员扑救火灾创造条件；
– 失去绝热性：分隔构件失去隔绝过量热传导性能。 试验中，试件背火面测点平均温度超过初始温度 140℃，或背火面任一测点温度超过初始温度180℃ 时→构件失去绝热性。
第十九页，编辑于星期日：三点 二十五分。
耐火极限的判定条件 – 国标《建筑构件耐火试验方法》－分隔构件、 承重构件及具有承重、分隔双重作用的承重分 隔构件。 – 分隔构件：隔墙、吊顶、门、窗等，构件失去 完整性或绝热性时，构件达到耐火极限。耐火 性由完整性、绝热性两个条件共同控制。 – 承重构件：梁、柱、屋架等－无隔断火焰－失 去稳定性单一条件判断承重构件是否达耐火极 限。 – 承重分隔构件：承重墙、楼板、屋面板等－具 有承重、分隔双重功能－构件在试验中失去稳 定性或完整性或隔热性任何一条时，构件即达 到耐火极限－耐火极限由三个条件共同控制。

《无机材料物理性能》课后习题答案

《无机材料物理性能》课后习题答案

《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。

解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。

1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。

若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。

解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。

则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。

0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。

解：1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。

解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。

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63
A3
42 21 0 α 500K A2 A3
A4
β
γ
A4
δ
液 态
1000K
图6.4铁加热时的热容转变
热分析方法
焓和热容是研究合金相变过程中重要的参数。研究焓 和温度的关系，可以确定热容的变化和相变潜热。量热和 热分析就是建立在热测量及温度测量基础上的。 现代常用的热分析方法。在程序控制温度下，测量物 质的物理性质与温度关系的一种技术。根据国际热分析协 会(ICTA)的分类，热分析方法共分为九类十七种，见下表 所列。由表可知，它们是把温度(或热)测量与其他物理性 质测定结合起来的分析方法。
实验指出绝缘体的比热按 T 趋近于零，对导体来说，比 热按 T 趋近于零。
3
6.1.1.2晶态固体热容的量子理论（quantum theory）
普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量 都是以 hv 为最小单位.
E nhv nh n 2
式中, h 6.6261034 J S
6.1.4相变对热容的影响
金属及合金在发生相变前后，伴随一定的热效应，这种热效应 构成了金属及合金热容的附加部分，使热容出现异常的变化。 根据热力学函数相变前后的变化，相变可分为一级相变和二级相变。
H
G
G2
G1
qM
G2
G1
T T
T
b图TM
Sp
C p.m
S

a图TM
o
T
图6.3焓、自由能、熵、热容随温度变化示意图
TM D 137 则： MVa2 / 3 徳拜温度反映原子结合力，不同材料 D 不同，熔点 D 高，尤其是M小的金属。 高，材料原子结合力强，
6.1.2.3合金热容
金属热容的一般概念适用于金属和多项合金。但合金中还 应考虑合金相热容及合金形成热等。 诺埃曼-考普（Neumann-Kopp）定律：
其中, x kT
由上式可以得到如下的结论：
• （1）当温度较高时，即， T D ，CV 3Nk 3R 即杜隆—珀替定律。 • （2）当温度很低时，即 T D ，计算得
这表明当T→0时，CV与T3成正比并趋于0，这就是德
12 Nk T 3 CV ( ) 5 D
2．德拜比热容
德拜考虑了晶体中原子的相互作用，把晶 体近似为连续介质（continuous medium）。
CV 3 Nkf D (
式中，
D
T
)
max D 0.76 10 11max＝德拜特征温度 k D D T 3 T ex x4 f D ( ) 3( ) dx ＝德拜比热函数， x 2 T D 0 (e 1)
第六章 材料的热学性能
6.1 材料的热容
6.1.1固体热容理论简介 6.1.2金属和合金的热容 6.1.3陶瓷材料的热容 6.1.4相变对热容的影响
6.1.5热分析及其应用
6.2 材料的热膨胀
6.2.1材料的热膨胀及膨胀系数
6.2.2热膨胀与其它物理量的关系及影响因素 6.2.3多晶体及复合材料的热膨胀 6.2.4热膨胀测试方法及应用
（compression coefficient）。
6.1材料的热容
6.1.1固体热容理论简介
发展过程
固体热容源于受热后点阵离子的振动加剧 和体积膨胀对外做功。固体热容理论，根据原 子（离子）热振动的特点导出，从理论上阐明 了热容的本质并建立热容随温度变化的关系。 其发展过程从经典热容理论 爱因斯坦
度曲线基本重合。
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：
CP a bT cT
式中CP的单位为4.18 J/
图6.2摩尔比为1：1的不同形式的 CaO+SiO2的热容
2
(k· mol)，见表6.1。
表6.1 某些无机材料的热容-温度关系经验方程式系数
式中， f e (
) kT
＝爱因斯坦比热函数，令
＝爱因
斯坦温度（einstein temperature）。
T E ，则： 当T很高时，
e
kT
e
E
T
1 E 2 1 E 3 E 1 ( ) ( ) 1 T 2! T 3! T T
E
则
CV 3Nk (
i 1 i 1
3N
3N
e
i kT
i 1
e (e
i kT i kT
3N i 2 E CV ( )V k ( ) T kT i 1
1)
2
这就是按照量子理论求得的热容表达式。但要计算CV 必须知道谐振子的频谱——非常困难（very difficult）。
1．爱因斯坦模型（Einstein model）
热稳定性（thermal stability）热辐射（Thermal
Emission），热电势（thermoelectric force ）等。本章
目的就是探讨固体热容理论，材料热性能的一般规律，
主要测试方法及在材料研究中的应用，热性能与材料
宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打
下理论基础。
另外，平均热容 度愈差。 恒压热容
Q H CP ( ) P ( )P T T
CV ( Q E )V ( )V T T
C均 Q T2 T1
， T 1 T 2 范围愈大，精
恒容热容
对于固体和液体来说，Cp和CV近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽略。 对于理想气体来说，Cp,m − CV,m = R，其中R是理想气体常数
6.1.4.1一级相变
热力学分析已经证明，发生一级相变时，除有体积突变 外，还伴随相变潜热的发生。由图6.3可见一级相变时热 力学函数变化的特点。具有这类相变有，纯金属的三相 转变，同素异构转变，共晶、包晶，固态的共析转变 等，举例金属熔化p220。
6.1.4.2二级相变
这类转变转变大都发生在一个有限的温度范围，由图6.3b可见，发生 二级时，热焓H随温度升高逐渐增加，但不像一级相变发生突变，其 摩尔定压热容Cp.m在转变温度范围也有剧烈变化，但为有限值。转变 的热效应相当图中阴影线所示的面积，可用内插法求得。属于这类 转变的有磁性转变，bcc点阵的有序-无序转变及合金的超导转变。
若取 D 200 ，
k / E 0.1310
0 F
e A
4 ，则
C
e V .M
C
A 当 V .M
2 2 T
T<1.4K时，即 CV .m CV .M CV .M T 实验证明，当温度低于5K以下， 即热容以电子贡献为主。 分析表明当温度很低时，金属热容需要同时考虑晶格振动和自由电子 两部分的贡献。金属热容可以写成
量子热容理论 徳拜量子热容理论 以及其后对徳拜量子热容理论的完善和发展。
6.1.1.1一经典热容理论杜隆—珀替定律
早在19世纪，杜隆-珀替把气体分子热容理论直接应 用于固体，假定晶体类似于金属气体，其点阵是孤立 的。
按热容定义，
由上式可知，热容是与温度T无关的常数 （constant），这就是杜隆一珀替定律。 杜隆—珀替定律在高温时与实验结果很吻合。 但在低温时，CV 的实验值并不是一个恒量。
E
T
E
)
2
T 即在高温时，爱因斯坦的简化模型与杜隆—珀替 公式相一致。
(
E
eT )2
3Nk 3R
但在低温时，即 e T 1 ,
E
T E
即说明CV值按指数规律随温度T而变化，而不是 从实验中得出的按T3变化的规律。这样在低温区域， 爱斯斯坦模型与实验值相差较大，这是因为原子振动 间有耦合作用的结果。
他提出的假设是：每个原子都是一个独立的振子，原 子之间彼此无关，并且都是以相同的角频振动，则上式 变化为：
E 3N e

kT
1
e
kT kT
E 2 CV ( )V 3Nk ( ) T kT
(e
1) 2
3Nkfe ( ) kT
E k

kT
1
在高温时， kT 所以
即每个振子单向振动的总能量与经典理论一致。 由于1mol固体中有N个原子，每个原子的热振动自 由度是3，所以1mol固体的振动可看做3N个振子的 合成运动，则1mol固体的平均能量为：
E kT 1 1 kT
E E i
式中：Q＝热量，E＝内能，H＝热焓。由于恒压加 热物体除温度升高外，还要对外界做功，所以 根据热 力学第二定律可以导出： 2 P V 0
C C V T /
dV 式中：V0＝摩尔容积， ＝体膨胀系数 VdT
dV （expansion coefficient）， ＝压缩系数 VdP
D
图6.1 不同温度下某些陶瓷材料的热容
图6.1 是几种材料的热容 - 温度曲线。这些材料的 θD
约为熔点（热力学温度）的0.2-0.5倍。对于绝大多数氧 化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值增 加到1273K左右的近似于24.9J/K· mol的数值。温度进一 步增加，热容基本上没有什么变化。图中几条曲线不 仅形状相似，而且数值也很接近。 无机材料的热容与材料结构的关系是不大的，如图 6.2所示。CaO和SiO21∶1的混合物与CaSiO3的热容-温
e 3 CV .M CVA.M CV AT BT .M
6.1.2.2徳拜温度
A和B可由计算求得 而A和B也可通过实验测得，通过对比可检验理 论的正确性。 hv max D 定义： k 林德曼公式 TM 12
vmax 2.8 10 MVa2 / 3
12 2 k 4 3 A R D , B ZR 0 5 2 EF