第八章材料的热学性能
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材料性能答案
名词解释第九章材料的磁学性能磁化：物质在磁场中由于受到磁场作用都呈现出一定的磁性，这种现象叫做磁化现象自发磁化：在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化。
技术磁化：铁磁材料心爱外加磁场的作用下所产生的磁化现象。
抗磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的成为抗磁性。
顺磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的成为抗磁性。
铁磁性：铁磁材料在外加磁场的作用下，可以产生很强的磁化，这是由于铁磁材料的原子组态所决定的。
铁磁性来源于原子违背抵消的自旋磁矩和自发磁化。
亚铁磁性：反铁磁性：交换积分常数A<0,相邻原子间的自旋趋于反相平行排列原子磁矩相互抵消，不鞥形成自发磁化区域。
固有磁矩：只有原子中存在的未被排满的电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为0，原子才具有磁矩，这种磁矩叫做~最大磁滞回线：磁滞损失：由于磁滞效应的存在，磁化一周得到一个封闭回线，称之为磁滞回线，回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗，称为~退磁能：磁铁产生的外力磁场与内磁场方向相反，从而使铁磁体减弱，磁化能力增加。
磁畴：在铁磁性物质中，此你在着许多微小自发磁化区域，成为~剩磁：磁化达到饱和后，在逐渐减小到H的强度，M将随之减小。
当H=0时，磁感应强度并不等于0，而是保持一定大小的数值，这时铁磁金属的剩磁现象。
矫顽力：要使M值继续减小，必须加反向磁场-H, 当H等一定值Hc时，M值才等于0。
Hc 为去掉剩磁的临界外磁场，称为~~居里点：磁晶各向异性：当贴此物质磁化时，沿不同方向磁化所产生的磁化强度不同，即沿着不同方向磁化所消耗的磁化功不同。
这说明磁化矢量（M）在不同的晶向上有不同的能量，M沿易磁化方向时能量最高。
磁化强度沿不同晶轴方向的不同称为磁晶磁晶的各向异性。
磁致伸缩（效应）：铁磁物质收缩时，沿磁化方向发生长度伸长或缩短的现象称为~~自发体积磁致伸缩：最大磁能积：第十章材料的电学性能电导率：为电阻率的倒数超导临界转变温度：材料由正常状态转变为超导状态的温度超导临界磁场强度：能破环超导态的最小磁场强度超导临界电流密度：输入电流所产生的磁场一外磁场之和超过临界磁场，超导呗破坏。
材料的热学性--3
1．热膨胀和结合能、熔点的关系 质点间结合力愈强，热膨胀系数愈小。
2．热膨胀与温度、热容关系
dL 1dr1tg
Ld T r0d Tr0d Tr0
2．热膨胀与温度、热容关系
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。升高单 位温度时能量的增量也 就是热容的定义。所以 热膨胀系数显然与热容 密切相关并有着相似的 规律
总则：用照相方法直接记录出膨胀曲线。
将试样的膨胀通过一根传递杆引出，传递杆推 动一个带小镜的光三角架（或其它光杠杆机械） 转动，将试样的膨胀量转成光点的位移量，并 借助于照像或光电转换的主法观察和测量光点 的位移。 既可直接测得伸长量，又可用示差法测得标准 试样和待测试样的差。
2、直接观测法：
利用双筒望远镜、垂高计、比长仪等仪 器直接观测加热过程中试样两标距间的 长度，从而计算出膨胀系数。
比热容：
焓和热容是材料发生相变时的重要参量。
热分析
研究焓和温度的关系，可以确定热容的变 化和相变潜热。热分析法是建立在热测量 和温度测量基础上的现代测试方法。
热分析：程序控制温度，测量物质的物理 性质和温度关系的技术。
热分析方法的种类：
差热分析（DTA）探测过程中的热效应并确定热 效应的大小和发生温度。
材料的热学性能
任何材料在使用的过程中都会受到热影响 或产生热效应。一些场合要求材料具有特 殊的热学性能—低膨胀性能、好的隔热性 能、高的导热性能等。材料的热学性能在 材料的相变研究中具有重要意义。
材料的热学性能主要包括：
热容（thermal content） 热膨胀（thermal expansion） 热传导（heat conductivity）
2．热膨胀与温度、热容关系
dL 1dr1tg
Ld T r0d Tr0d Tr0
2．热膨胀与温度、热容关系
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。升高单 位温度时能量的增量也 就是热容的定义。所以 热膨胀系数显然与热容 密切相关并有着相似的 规律
总则：用照相方法直接记录出膨胀曲线。
将试样的膨胀通过一根传递杆引出，传递杆推 动一个带小镜的光三角架（或其它光杠杆机械） 转动，将试样的膨胀量转成光点的位移量，并 借助于照像或光电转换的主法观察和测量光点 的位移。 既可直接测得伸长量，又可用示差法测得标准 试样和待测试样的差。
2、直接观测法：
利用双筒望远镜、垂高计、比长仪等仪 器直接观测加热过程中试样两标距间的 长度，从而计算出膨胀系数。
比热容：
焓和热容是材料发生相变时的重要参量。
热分析
研究焓和温度的关系，可以确定热容的变 化和相变潜热。热分析法是建立在热测量 和温度测量基础上的现代测试方法。
热分析：程序控制温度，测量物质的物理 性质和温度关系的技术。
热分析方法的种类：
差热分析（DTA）探测过程中的热效应并确定热 效应的大小和发生温度。
材料的热学性能
任何材料在使用的过程中都会受到热影响 或产生热效应。一些场合要求材料具有特 殊的热学性能—低膨胀性能、好的隔热性 能、高的导热性能等。材料的热学性能在 材料的相变研究中具有重要意义。
材料的热学性能主要包括：
热容（thermal content） 热膨胀（thermal expansion） 热传导（heat conductivity）
第八章_材料的热学性能
导热系数与温度的关系
Cv 声子 碰撞l 点缺陷l
lT -4
晶界l
位错
低温
lT3
l exp(D/2T)
T3 exp(D/2T)
ld
d T3
l1/ T2
T
λ
高温 常数
T -1
exp(D/2T)
exp(D/2T)
常数(晶格常 数)
常数
1/ T2
λ
光子热导 固体中的分子、原子和电子 （光子）
如MgO,Al2O3和 MgAl2O4结构一样， 而MgAl2O4的热传导 系数低， 2Al2O33SiO2莫来石 比尖晶石更小. 晶体是置换型固 溶体，非计量化合 物时，热传导系数 降低。
热传导系数(卡/秒厘米0C 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 20 40 60 80 100 NiO MgO 体积分数
(3) 结构的影响 A 晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热 导率越低。 B 晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN 为层状结构，层内比层间的大4倍，在空间技术 中用于屏蔽材料。 C 多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比 单晶小。
晶粒尺寸小、晶界多、 缺陷多、晶界处杂质 多，对声子散射大。
化学组成复杂的 固体具有小的热传 导系数
§8.4 无机材料的热稳定性
热稳定性（抗热振性）： 材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不 致破坏的能力。 热冲击破坏的类型：
1. 抗热冲击断裂性------材料发生瞬时断裂；
2. 抗热冲击损伤性------在热冲击循环作用 下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展， 最终碎裂或变质。
u(r)
U(a+ ）=U(a)+(dU/dr)a +1/2(d2U/dr2)a 2+· · · 常数 0
材料性能力学热学性能课件
• 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
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
(第八章)材料的热学性能-2010
1.1 热运动实质是晶格质点振动
固体材料点阵中的质点总是围绕其平衡位置 作微小振动，这种振动就为晶格热振动。
晶格热振动是三维的，可以将其简单分解为 三个方向的线性热振动。
K或q
a
s-1
s
s+1
s+2
s+3
s+4
K或q
1.2 一维单原子晶格的线性振动 条件： 每个原子都具有相同的质量m； 晶格常数（平衡时原子间距）为a； 热运动使原子离开平衡位置x。
是因为经典理论不适用于低温，必须采用量子理论。
骣n h exp ç ÷ 2 ç ÷ ç kT ÷ 骣E ÷ 骣E 鼢 骣n q ¶ h 桫 珑 鼢 = 3 NAk （C） CV , m = 珑 = 3RfE ç ÷ ç ÷ 2 珑T鼢 çT 桫 V 桫 桫 ¶ kT 骣 hn ÷ çexp - 1÷ ç ÷ ç 桫 kT 骣n h exp ç ÷ 2 ç ÷ ç kT ÷ 骣E ÷ 骣n ÷ q h hn 桫 ç ÷= ç ÷ fE ç ÷ ç ÷ ： 爱因斯坦函数； qE = ：爱因斯坦温度 2 ç kT 骣 hn çT 桫 桫 k ÷ çexp - 1÷ ç ÷ ç 桫 kT 讨论：高温时，kT hn , hn /kT 1, CV,m » 3R, 这和杜隆定律结论一致。 骣n 骣 hn h 低温时，kT hn，CV,m = 3R 珑 鼢exp , 这与实验结果不符合， 鼢 珑 鼢 桫 珑 桫 kT kT 实验结果是：低温下热容与T3成正比。 不符合原因：原子振动并非独立，彼此存在耦合； 原子振动频率 并非单一，存在一个频率范围。
2.5.2 电热法测定热容
2.5.2.1 原理
VI =(mc+m0c0+m1c1+q1+q2)(T2-T1)
固体材料点阵中的质点总是围绕其平衡位置 作微小振动，这种振动就为晶格热振动。
晶格热振动是三维的，可以将其简单分解为 三个方向的线性热振动。
K或q
a
s-1
s
s+1
s+2
s+3
s+4
K或q
1.2 一维单原子晶格的线性振动 条件： 每个原子都具有相同的质量m； 晶格常数（平衡时原子间距）为a； 热运动使原子离开平衡位置x。
是因为经典理论不适用于低温，必须采用量子理论。
骣n h exp ç ÷ 2 ç ÷ ç kT ÷ 骣E ÷ 骣E 鼢 骣n q ¶ h 桫 珑 鼢 = 3 NAk （C） CV , m = 珑 = 3RfE ç ÷ ç ÷ 2 珑T鼢 çT 桫 V 桫 桫 ¶ kT 骣 hn ÷ çexp - 1÷ ç ÷ ç 桫 kT 骣n h exp ç ÷ 2 ç ÷ ç kT ÷ 骣E ÷ 骣n ÷ q h hn 桫 ç ÷= ç ÷ fE ç ÷ ç ÷ ： 爱因斯坦函数； qE = ：爱因斯坦温度 2 ç kT 骣 hn çT 桫 桫 k ÷ çexp - 1÷ ç ÷ ç 桫 kT 讨论：高温时，kT hn , hn /kT 1, CV,m » 3R, 这和杜隆定律结论一致。 骣n 骣 hn h 低温时，kT hn，CV,m = 3R 珑 鼢exp , 这与实验结果不符合， 鼢 珑 鼢 桫 珑 桫 kT kT 实验结果是：低温下热容与T3成正比。 不符合原因：原子振动并非独立，彼此存在耦合； 原子振动频率 并非单一，存在一个频率范围。
2.5.2 电热法测定热容
2.5.2.1 原理
VI =(mc+m0c0+m1c1+q1+q2)(T2-T1)
第八章材料的热学性能
3 0
3 4 2 k 3 D 由（ 4）可得v , 带入（ 5），并对温度微分 3 3h N T 3 D ex x4 CV 9 Nk ( ) 0T x dx (6) 2 D (e 1)
为讨论问题方便，引入 德拜热容常数 fD ( 令f D (
D
T
),
D
T
) 3(
T
D
) 0T
3 0
3 4 2 k 3 D 由（ 4）可得v , 带入（ 5），并对温度微分 3h 3 N T 3 D ex x4 CV 9 Nk ( ) 0T x dx (6) 2 D (e 1)
为讨论问题方便，引入 德拜热容常数 fD ( 令f D (
D
T
),
D
T
) 3(
T
D
) 0T
12 2 g ( ) 3 v0 3 1 2 3 3 3 v0 vl vt ( 2)
vl为纵波传播速度 v t 为横波传播速度 v0 max 2
3
6N
则晶体振动能量：
max
v0 3 6N (4) 2 max 令 D ，并把x 带入（ 3），经整理 k kT 12k 4T 4 xmax x 3 E dx (5) 0 3 3 x v0 h e 1
光频支振动(optical branch vibration ) ：格波中频率 甚高的振动波，质点彼此之间的位相差很大，邻近质 点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为 “光频支振动”。
光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围 很小，频率很高的振动。
第二节 材料的热容
一．热容的概念 1．热容的定义(heat/thermal capacity) 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K 时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容。 热容的表达式 为 （J/K）
3 4 2 k 3 D 由（ 4）可得v , 带入（ 5），并对温度微分 3 3h N T 3 D ex x4 CV 9 Nk ( ) 0T x dx (6) 2 D (e 1)
为讨论问题方便，引入 德拜热容常数 fD ( 令f D (
D
T
),
D
T
) 3(
T
D
) 0T
3 0
3 4 2 k 3 D 由（ 4）可得v , 带入（ 5），并对温度微分 3h 3 N T 3 D ex x4 CV 9 Nk ( ) 0T x dx (6) 2 D (e 1)
为讨论问题方便，引入 德拜热容常数 fD ( 令f D (
D
T
),
D
T
) 3(
T
D
) 0T
12 2 g ( ) 3 v0 3 1 2 3 3 3 v0 vl vt ( 2)
vl为纵波传播速度 v t 为横波传播速度 v0 max 2
3
6N
则晶体振动能量：
max
v0 3 6N (4) 2 max 令 D ，并把x 带入（ 3），经整理 k kT 12k 4T 4 xmax x 3 E dx (5) 0 3 3 x v0 h e 1
光频支振动(optical branch vibration ) ：格波中频率 甚高的振动波，质点彼此之间的位相差很大，邻近质 点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为 “光频支振动”。
光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围 很小，频率很高的振动。
第二节 材料的热容
一．热容的概念 1．热容的定义(heat/thermal capacity) 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K 时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容。 热容的表达式 为 （J/K）
化工热力学(第三版)第8章高分子体系的热力学性质
8.2.1 Flory-Huggins晶格模型理论
（2）高分子溶液的混合焓。 能量的变化为
混合前后总能量变化为
8.2.1 Flory-Huggins晶格模型理论
高分子溶液的混合焓为
8.2.1 Flory-Huggins晶格模型理论
8.2.1 Flory-Huggins晶格模型理论
8.2.1 Flory-Huggins晶格模型理论
8.3.3 溶剂的选择和评价
8.4 高分子体系的相平衡
1
高分子溶液的渗透压
2
高分子溶液的相分裂 高分子化合物的共混
3
8.4.1 高分子溶液的渗透压
8.4.1 高分子溶液的渗透压
8.4.1 高分子溶液的渗透压
8.4.1 高分子溶液的渗透压
8.4.1 高分子溶液的渗透压
8.4.1 高分子溶液的渗透压
② 所有高分子具有相同的聚合度；高分子链形成的所有
构象具有相同的能量。 ③ 溶液中高分子链节均匀分布，即链节占有任一格子的 概率相等。
8.2.1 Flory-Huggins晶格模型理论
8.2.1 液的混合熵 根据统计力学可知体系的熵与体系微观状态数Ω 有如下 关系
此外，高分子化合物的溶解度参数还可以从重复单元中
各基团的摩尔引力常数F值来估算
8.3.2 溶解过程热力学分析
8.3.2 溶解过程热力学分析
8.3.2 溶解过程热力学分析
8.3.2 溶解过程热力学分析
8.3.3 溶剂的选择和评价
（1）极性相似原则 （2）溶剂化原则
（3）溶解度参数相近原则
（4）Huggins参数判断原则
8.4.2 高分子溶液的相分裂
*8.4.3 高分子化合物的共混
《材料物理性能热》课件
THANKS
感谢观看
正火
将金属加热到一定温度后保持一定时间，然后快速冷却，以提高其 强度和硬度。
淬火
将金属加热到一定温度后迅速冷却，以增强其硬度和耐磨性。
05 材料在热环境中 的行为
热应力
01
热应力定义
由于温生原因
当材料的温度发生变化时，材料 的热膨胀或收缩不均匀，导致内 部应力分布不均。
实践应用
通过实践应用，将所学知识应用于实际问题 的解决中，提高实际操作能力
02 材料的基本热学 性能
热容
定义
热容是材料在等温过程中吸收或释放热量时温度的改变量。
分类
分为定容热容和定压热容，定容热容指在等容条件下测定的热容 ，定压热容指在等压条件下测定的热容。
影响因素
材料的热容主要取决于其物质的本性和温度，温度越高，热容越 大。
热辐射测量的实验设 备
一般包括光源、积分球、光谱仪、辐 射计等。光源用于提供不同波长的辐 射源，积分球用于提供封闭的测试环 境，光谱仪用于测量辐射光谱，辐射 计用于比较标准物质和待测物质的发 射率。
热辐射测量的注意事 项
在测量过程中要确保光源和待测物质 处于同一温度下，以获得准确的测量 结果；同时要避免环境光对测量的干 扰。
《材料物理性能热》ppt课 件
目 录
• 引言 • 材料的基本热学性能 • 材料的热力学性能 • 材料的热转变与相变 • 材料在热环境中的行为 • 热学性能的测量与表征
01 引言
课程介绍
课程名称
01
《材料物理性能热》
适用对象
02
材料科学、物理、化学等相关专业的本科生和研究生
主要内容
03
介绍材料的热学性能，包括热容、热传导、热膨胀等方面的知
热学性能
k
θD取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。
无机材料的热容特点
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 似于25J/K·mol的数值，进一步增加温 度，热容基本上没有什么变化。
无机材料的热容特点
不同温度下某些陶瓷材料的热容
无机材料的热容特点
无机材料有大致相同的热容曲线
热膨胀和其它性能的关系
4．热膨胀随温度不同而不同 一般随温度升高热膨胀系数增大。
5. 材料的热膨胀直接与热稳定性有关 一般，线膨胀系数小的，热稳定性就好。 Si3N4的αl=2.7х10-6/K，在陶瓷材料中是偏 低的，因此，热稳定性也好。
材料的热膨胀
某些无机材料热膨胀系数与温度的关系
热膨胀系数的检测
显微结构的影响
几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系
显微结构的影响
4. 非晶体的热导率
非晶体导热系数曲线
显微结构的影响
晶体和非晶体材料的导热系数曲线
化学组成的影响
不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。
这是因为构成晶体的质点的大小、性质不 同，它们的晶格振动状态不同，传导热量 的能力也就不同。
固体材料热传导的微观机理
固体中的导热主要是由晶格振动的格波和 自由电子的运动来实现。
对于金属材料，由于有大量自由电子的存在， 所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一 般都具有较大的热导率。
对于非金属材料，晶格中自由电子极少， 所以晶格振动是它们的主要导热机构。
影响热导率的因素
1. 温度的影响 2. 显微结构的影响 3. 化学组成的影响 4. 气孔的影响
无机材料的热容特点
无机非金属材料的热容，符合德拜热容理 论，即在高于德拜温度θD时，热容趋于常 数25J/K·mol，低于θD时与T3呈正比。不同 的无机材料θD是不同的，
θD取决于键的强度、材料的弹性模量、熔点等。
无机材料的热容特点
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 似于25J/K·mol的数值，进一步增加温 度，热容基本上没有什么变化。
无机材料的热容特点
不同温度下某些陶瓷材料的热容
无机材料的热容特点
无机材料有大致相同的热容曲线
热膨胀和其它性能的关系
4．热膨胀随温度不同而不同 一般随温度升高热膨胀系数增大。
5. 材料的热膨胀直接与热稳定性有关 一般，线膨胀系数小的，热稳定性就好。 Si3N4的αl=2.7х10-6/K，在陶瓷材料中是偏 低的，因此，热稳定性也好。
材料的热膨胀
某些无机材料热膨胀系数与温度的关系
热膨胀系数的检测
显微结构的影响
几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系
显微结构的影响
4. 非晶体的热导率
非晶体导热系数曲线
显微结构的影响
晶体和非晶体材料的导热系数曲线
化学组成的影响
不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。
这是因为构成晶体的质点的大小、性质不 同，它们的晶格振动状态不同，传导热量 的能力也就不同。
固体材料热传导的微观机理
固体中的导热主要是由晶格振动的格波和 自由电子的运动来实现。
对于金属材料，由于有大量自由电子的存在， 所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一 般都具有较大的热导率。
对于非金属材料，晶格中自由电子极少， 所以晶格振动是它们的主要导热机构。
影响热导率的因素
1. 温度的影响 2. 显微结构的影响 3. 化学组成的影响 4. 气孔的影响
无机材料的热容特点
无机非金属材料的热容，符合德拜热容理 论，即在高于德拜温度θD时，热容趋于常 数25J/K·mol，低于θD时与T3呈正比。不同 的无机材料θD是不同的，
第八章 材料的热学性能
效应来进行物质鉴定，了解物质在不同温
度的热量、质量等变化规律作为材料研究 的重要手段。
例1： 研究有序－无序转变
铜锌合金成分为 Cp CuZn，形成体心立方 点阵。此合金在低温 时处于有序状态，随 着温度增加，逐渐转 变为无序状态，这种 转变是一个吸热过程， 属于二级相变。
T
例：973计划前期研究专项和国家自然科学基金
关系。
3.热重法－thermogrivimetry
在程序控制温度下测量材料的质量与温度 关系的一种分析技术，把试样的质量作为 时间或温度的函数记录分析，得到的曲线 称为热重曲线。
3.热分析法的应用
通过物质在加热或冷却过程中出现各种
热效应，脱水、固态相变、熔化、凝固、
分解、氧化、聚合等过程产生放热或吸热
d）液态金属的焓比固态时高，因此液态的热容比固态热
容高。
2.二级相变
二级相变发生在一个有限温 度范围。 发生二级相变时，其焓发生 变化，但不是突变。 热容在转变温度附近也有剧 烈变化，但为有限值。 这类转变包括磁性转变、有 序－无序转变、超导转变。
Cp
T1
T2
T
六、热分析法
物理性质 质量 热分析技术名称 热重法 缩写 TG DTA DSC
T－温度 T 时的等温压缩系数；
CV－定容比热； γ－(等效）格律乃森参数：
2 膨胀系数与熔点
膨胀系数和金属熔点TM有一定联系， aTM= C
3 膨胀系数的周期变化
IA族膨胀系数随原子序数的增加而增大，这是由
于结合力低：H、Li、Na、K等
其它A族随原子序数增加而降低。
过渡金属具有较低的膨胀系数。
第8章材料的热学性能
相对于常温的原子摩尔热容3R可忽略。
低温下的金属热容 低温时电子对热容的贡献不可忽略，热容为声 子与电子的共同贡献
CmV Cmp V Cme V bT 3 T
12π4 其中 b 5ΘD3
R
，
π2ZkR 2EF0
CmV / T bT 2
以实验的CmV/T对T2作图，可得出b和的实验值，
1
CmV 3N0k=3R，即杜隆－珀替定律。
温度很低时T0 ， E/T>>1，所以
CmV
3N0
k
ΘE T
2
eΘE /T
6N0keΘE /T
T0则CmV 0，与实验相符。 但CmV按指数规律快速下降，比实验值更快地趋 于零。
3. 德拜(Debye)热容模型
dT dx
根据能量均分定理有
vp2x
1 3
vp2
其中 vp2x 为 vp2x 的平均值，vp 为声子的平均速度
又平均自由程 p vp p
所以
J
1 3
CVp vp
p
dT dx
由热流密度的定义
J
kt
dT dx
知声子导热系数
ktp
1 3
CVp
vp
p
2 电子导热 与声子导热类似，对电子导热也有：
——除反映相变点外，还可对热学参数准确定量
A2温度有明显 的热容变化， 是二级相变 （磁性转变）
应用:金属、 陶瓷、高分 子材料相变 优点：需要 的样品少且 制备容易， 可对热学参 数进行准确 的定量。
8. 2 材料的热传导 (Thermal conductivity of materials)
低温下的金属热容 低温时电子对热容的贡献不可忽略，热容为声 子与电子的共同贡献
CmV Cmp V Cme V bT 3 T
12π4 其中 b 5ΘD3
R
，
π2ZkR 2EF0
CmV / T bT 2
以实验的CmV/T对T2作图，可得出b和的实验值，
1
CmV 3N0k=3R，即杜隆－珀替定律。
温度很低时T0 ， E/T>>1，所以
CmV
3N0
k
ΘE T
2
eΘE /T
6N0keΘE /T
T0则CmV 0，与实验相符。 但CmV按指数规律快速下降，比实验值更快地趋 于零。
3. 德拜(Debye)热容模型
dT dx
根据能量均分定理有
vp2x
1 3
vp2
其中 vp2x 为 vp2x 的平均值，vp 为声子的平均速度
又平均自由程 p vp p
所以
J
1 3
CVp vp
p
dT dx
由热流密度的定义
J
kt
dT dx
知声子导热系数
ktp
1 3
CVp
vp
p
2 电子导热 与声子导热类似，对电子导热也有：
——除反映相变点外，还可对热学参数准确定量
A2温度有明显 的热容变化， 是二级相变 （磁性转变）
应用:金属、 陶瓷、高分 子材料相变 优点：需要 的样品少且 制备容易， 可对热学参 数进行准确 的定量。
8. 2 材料的热传导 (Thermal conductivity of materials)
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材料性能学材料性能学第⼀章材料单向静拉伸的⼒学性能1.屈服是材料由弹性变形向弹-塑性变形过度的明显标志。
2.低碳钢单向静拉伸曲线特征及形变过程在低碳钢的单向静拉伸试验中，整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形以及不均匀集中塑性变形4个阶段3.真应⼒/应变与⼯程应⼒/应变的换算4.弹性变形的本质：构成材料的原⼦（离⼦）或分⼦⾃平衡位置产⽣可逆位移的反映。
5.弹性模量的影响因素答：键合⽅式和原⼦结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件和负荷持续时间6.滞弹性：是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长⽽产⽣的附加弹性应变的性能。
7.包申格效应：⾦属材料经预先加载产⽣少量塑性变形，⽽后同向加载，规定残余伸长应⼒增加，反向加载，规定残余拉伸应⼒降低的现象。
（包申格效应可以通过热处理来消除。
）8.弹性滞后环：在⾮理想弹性的情况下，由于应⼒和应变不同步，使加载线与卸载线不重合⽽形成⼀封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环。
9.内耗：在⾮理想弹性的情况下，由于应⼒和应变不同步，使加载线与卸载线不重合⽽形成⼀封闭回线，这个封闭回线称为弹性滞后环。
存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功⼤于卸载时材料释放的变形功，有⼀部分加载变形功被材料吸收。
这部分在变形过程中被材料吸收的功称为材料的内耗。
10.⽆机⾮⾦属材料的塑性特点论述⼤多数⽆机⾮⾦属材料在常温下不能产⽣塑性形变的原因【答案】⽆机⾮⾦属材料滑移系统少，不易产⽣塑性形变，主要原因有：（1）离⼦键或共价键，具有明显的⽅向性。
（2）同号离⼦相遇，斥⼒极⼤，只有个别滑移系统能满⾜位错运动的⼏何条件和静电作⽤条件。
（3）晶体结构愈复杂，满⾜这种条件就愈困难。
陶瓷材料⼀般呈多晶状态，⽽且还存在⽓孔、微裂纹、玻璃相等。
其晶粒在空间随机分布，不同⽅向的晶粒，其滑移⾯上的剪应⼒差别很⼤。
即使个别晶粒已达到临界剪应⼒⽽发⽣滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍⽽终⽌，所以多晶材料更不容易产⽣滑移。
纳米材料概论 第八章纳米材料的热学性能
第八章纳米材料的热学性能重点:纳米材料的热学性质及尺寸效应纳米晶体的熔化纳米晶体的热稳定性纳米晶体的点阵热力学性质纳米晶体的界面热力学重点材料的热性能是材料最重要的物理性能之一表现出一系列与块体材料明显不同的热学特性，如：比热容值升高热膨胀系数增大熔点降低纳米材料的热学性质与其晶粒尺寸直接相关Why?材料的热性能是材料最重要的物理性能之一8.1 纳米材料的热学性质及尺寸效应8.1.1纳米材料的热学性质纳米材料的熔点材料中分子、原子的运动行为决定材料的热性能当热载子（电子、声子及光子）的各种特征运动尺寸与材料尺度相当时，反映物质热性能的物性参数（如熔化温度、热容等）会体现出鲜明的尺寸依赖性。
特别是，低温下热载子的平均自由程将变长，使材料热学性质的尺寸效应更为明显。
8.1.2 纳米晶体的热容及特征温度热容是指材料分子或原子热运动的能量Q随温度T的变化率，与材料的结构密切相关。
在温度T时，材料的热容量C的表达式为：若加热过程中材料的体积不变，则测得的热容量为定容热容（CV）；若加热过程中材料的压强不变，则测得的为定压热容（CP）。
晶界的过剩体积ΔV其中，V和V分别为完整单晶体和晶界的体积。
在纳米材料中，很大一部分原子处于晶界上，界面原子的最近邻原子构型与晶粒内部原子的显著不同，使晶界相对于完整晶格存在一定的过剩体积热力学计算表明：纳米晶的热容随着晶界过剩体积的增加而增加，因而亦随着晶界能的增加而增加。
由于高比例晶界组元的贡献，纳米材料的比热容会比其粗晶材料的高。
注意区分：纳米材料定容热容与比热容的特点2、德拜特征温度由固体物理，德拜特征温度的定义为：ωm表征晶格振动的最高频率；kB为玻尔兹曼常数。
纳米晶体材料的德拜特征温度θnc相对于粗晶的θc的变化率Δθnc可由下式给出：目前，对于纳米晶体材料特征温度的减小还无确切解释。
但可见，晶格振动达到最高频率变得容易了。
8.1.3纳米晶体的热膨胀热膨胀是指材料的长度或体积在不加压力时随温度的升高而变大的现象。
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振动频率随Em的增大而提高
第一节 热学性能的物理基础
2、热量
各质点热运动时动能的总和
第一节 热学性能的物理基础
3、弹性波(又称格波)
多频率振动的组合波
(1) 声频支振动:如果振动着的质点中包含频率很低的格波，质点 彼此之间的位相差不大
（2）光频支振动:格波中频率很高的振动波，质点间的位相差很 大，频率往往在红外光区，
第八章 材料的热学性能
第一节 热学性能的物理基础 第二节 热容 第三节 热膨胀 第四节 热传导
第一节 热学性能的物理基础
1、晶格热振动
固体材料的各种热学性能，均与构成材料的质点(原子、离子) 热振动有关，点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置 作微小振动。 晶格热振动是三维的 3个方向的线性振动 简谐振动方程：
Cp＞Cv
根据热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：
第二节 热容
2 固体材料的热容两个经验定律
（1）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25J／(K· mol)”
（2）化合物热容定律——柯普定律：“化合物分子热容等于构 成 此化合物各元素原子热容之和”
经典热容理论:能量自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平 均位能都为(1/2)kT，一个原子有3个振动自由度，平均动能和 位能的总和就等于3kT，一摩尔固体中有NA个原子总能量
不同材料，热容量不同
第二节 热容
单位质量材料的热容又称之为“比热容”或“质量热容 ”,单位为J／(kg·K)；1 mol材料的热容则称为“摩尔热容 ”，单位为J／(mol ·K)
同一种材料在不同温度时的比热容也往往不同，通常工 程上所用的平均比热容是指单位质量的材料从温度T1到T2所 吸收的热量的平均值:
第二节 热容
1 mol单原子固体物质的摩尔定容热容为
热容是与温度无关的常数，杜隆—珀替定律的实质
第二节 热容
对于双原子的固态化合物，摩尔定容热容为Cv、m ＝ 2x 25J／（K·mol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为 Cv、m=3x 25J／(K· mol )
杜隆—珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低 温下时却相差较大，实验结果表明．材料的摩尔热容，是随 温度而变化的
第一节 热学性能的物理基础
（3）声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向；光 频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小、 频率很高的振动
第二节 热容
一、热容的基本概念
1、热容 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高
1K时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容，单位为 J/K 热容表达式为：
第三节 热膨胀
一 热膨胀的概念及热膨胀系数 1 热膨胀的概念
物体的体积或长度随温度升高而增大的现象
2 平均线性膨胀系数
3 线性膨胀系数 固体材料真线性膨胀系数，通常随温
度升高而加大 无机非金属材料的线膨胀系数一般较小
4 体膨胀 物体体积随温度升高而增长的现象
各向同性的立方体材料 各向异性的晶体
(2)当温度很低时，即
著名的德拜Ｔ立方定律，它和实验结果十分符合 德拜热容理论中，不同材料的 是不同的
第二节 热容
三、影响材料热容的因素
对于固体材料，热容与材料的组织结构关系不大 相变时，由于热量的不连续变化，热容也出现了突变
第二节 热容
1 固态的多型性转变属一级相变 2 二级相变是在一定温度范围逐步完成
五、热分析方法的应用 1、热分析方法
是根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积 等物理参数与材料结构之间的关系，对材料进行分 析研究。
（1）差热分析（DTA）：在程序温度控制下，测 量试样和参照物的温度差随温度（T）或时间(t)的 变化关系． (2) 差示扫描量热法(DSC)：在程序温度控制下 用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样 的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时 间的关系的分析技术 。
依指数规律随温度而变化，而不是从试验中得出的按T³
变化的规律 忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原因
第二节 热容
2．德拜模型
晶体中原子是相互作用的．对热容的主要贡献是弹性波的振 动，即声频支，在低温下占主导地位．晶体近似视为连续介质， 声频支的振动近似地看作是连续的
热容为：
(1)当温度较高时，即
二 热膨胀机理 质点在平衡位置两侧时受力的情况并
不对称，在质点平衡位置ro的两侧，合 力曲线的斜率是不等的，当r ＜ ro 时， 曲线斜率较大，r＞ro时，斜率较小，质 点振动时的平均位置就不在ro处而要向 右移动．因此相邻质点间平均距离增加， 温度越高，振幅越大，质点在ro两侧受 力不对称情况越显著，平衡位置向右移 动得越多，相邻质点间平均距离也就增 加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨 胀。
第二节 热容
T1一T2的范围愈大，精确性愈差 当温度T2无限趋近于T1时，材料的比热容，即
加热过程在恒压条件下进行，所测定的比热容称为比定压热 容(Cp) 加热过程在容积不变的条件下进行时，所测定的热容称为比 定容热容(Cv)
第二节 热容
恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功 (膨胀功)，每提高1K温度需要吸收更多的热量
第二节 热容
二、固体热容的量子理论
同一温度下，物质中不同质点的热振动频率不同，同一质 点振动的能量在不同时刻，大小不同，而且振动能量是量 子化的。
1、爱因斯坦模型 爱因斯坦模型认为：晶体中每一个原子都是一个独立的
振子．原子都以相同的频率振动。
第二节 热容
(1) 当温度较高时， (2) 当T趋于零时，Cv、m逐渐变小，当T=0时，Cv、m=0： 在低温下
第二节 热容
3 对于不可逆转变，伴随转变产生的热效应也是不可逆的
4 材料热容与温度关系可由实验精确测定，经验公式 Cp＝a十bT十cT十·· ·
5 在较高温度下固体的热容具有加和性，即物质的摩尔热容 等于构成该化合物各元素原子热容的总和
第二节 热容
四、热容的测量
通常采用混合法和电热法 1、混合法测量固体材料的比热容 2、电热法测固体的比热容
(3) 热重法(简称TG) ：在程序控制温度下测量 材料的质量与温度关系的一种分析技术。
2．热分析的应用 通过物质在加热或冷却过程中出现各种的热效
应，如脱水、固态相变、熔化、凝固、分解、氧化、 聚合等过程中产生放热或吸热效应来进行物质鉴 定．
在陶瓷生产中可帮助确定各种原料配入量和制 订烧成制度．
在金属材料研究中，热分析方法也有广泛的用 途．
第一节 热学性能的物理基础
2、热量
各质点热运动时动能的总和
第一节 热学性能的物理基础
3、弹性波(又称格波)
多频率振动的组合波
(1) 声频支振动:如果振动着的质点中包含频率很低的格波，质点 彼此之间的位相差不大
（2）光频支振动:格波中频率很高的振动波，质点间的位相差很 大，频率往往在红外光区，
第八章 材料的热学性能
第一节 热学性能的物理基础 第二节 热容 第三节 热膨胀 第四节 热传导
第一节 热学性能的物理基础
1、晶格热振动
固体材料的各种热学性能，均与构成材料的质点(原子、离子) 热振动有关，点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置 作微小振动。 晶格热振动是三维的 3个方向的线性振动 简谐振动方程：
Cp＞Cv
根据热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：
第二节 热容
2 固体材料的热容两个经验定律
（1）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25J／(K· mol)”
（2）化合物热容定律——柯普定律：“化合物分子热容等于构 成 此化合物各元素原子热容之和”
经典热容理论:能量自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平 均位能都为(1/2)kT，一个原子有3个振动自由度，平均动能和 位能的总和就等于3kT，一摩尔固体中有NA个原子总能量
不同材料，热容量不同
第二节 热容
单位质量材料的热容又称之为“比热容”或“质量热容 ”,单位为J／(kg·K)；1 mol材料的热容则称为“摩尔热容 ”，单位为J／(mol ·K)
同一种材料在不同温度时的比热容也往往不同，通常工 程上所用的平均比热容是指单位质量的材料从温度T1到T2所 吸收的热量的平均值:
第二节 热容
1 mol单原子固体物质的摩尔定容热容为
热容是与温度无关的常数，杜隆—珀替定律的实质
第二节 热容
对于双原子的固态化合物，摩尔定容热容为Cv、m ＝ 2x 25J／（K·mol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为 Cv、m=3x 25J／(K· mol )
杜隆—珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低 温下时却相差较大，实验结果表明．材料的摩尔热容，是随 温度而变化的
第一节 热学性能的物理基础
（3）声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向；光 频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小、 频率很高的振动
第二节 热容
一、热容的基本概念
1、热容 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高
1K时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容，单位为 J/K 热容表达式为：
第三节 热膨胀
一 热膨胀的概念及热膨胀系数 1 热膨胀的概念
物体的体积或长度随温度升高而增大的现象
2 平均线性膨胀系数
3 线性膨胀系数 固体材料真线性膨胀系数，通常随温
度升高而加大 无机非金属材料的线膨胀系数一般较小
4 体膨胀 物体体积随温度升高而增长的现象
各向同性的立方体材料 各向异性的晶体
(2)当温度很低时，即
著名的德拜Ｔ立方定律，它和实验结果十分符合 德拜热容理论中，不同材料的 是不同的
第二节 热容
三、影响材料热容的因素
对于固体材料，热容与材料的组织结构关系不大 相变时，由于热量的不连续变化，热容也出现了突变
第二节 热容
1 固态的多型性转变属一级相变 2 二级相变是在一定温度范围逐步完成
五、热分析方法的应用 1、热分析方法
是根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积 等物理参数与材料结构之间的关系，对材料进行分 析研究。
（1）差热分析（DTA）：在程序温度控制下，测 量试样和参照物的温度差随温度（T）或时间(t)的 变化关系． (2) 差示扫描量热法(DSC)：在程序温度控制下 用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样 的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时 间的关系的分析技术 。
依指数规律随温度而变化，而不是从试验中得出的按T³
变化的规律 忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原因
第二节 热容
2．德拜模型
晶体中原子是相互作用的．对热容的主要贡献是弹性波的振 动，即声频支，在低温下占主导地位．晶体近似视为连续介质， 声频支的振动近似地看作是连续的
热容为：
(1)当温度较高时，即
二 热膨胀机理 质点在平衡位置两侧时受力的情况并
不对称，在质点平衡位置ro的两侧，合 力曲线的斜率是不等的，当r ＜ ro 时， 曲线斜率较大，r＞ro时，斜率较小，质 点振动时的平均位置就不在ro处而要向 右移动．因此相邻质点间平均距离增加， 温度越高，振幅越大，质点在ro两侧受 力不对称情况越显著，平衡位置向右移 动得越多，相邻质点间平均距离也就增 加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨 胀。
第二节 热容
T1一T2的范围愈大，精确性愈差 当温度T2无限趋近于T1时，材料的比热容，即
加热过程在恒压条件下进行，所测定的比热容称为比定压热 容(Cp) 加热过程在容积不变的条件下进行时，所测定的热容称为比 定容热容(Cv)
第二节 热容
恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功 (膨胀功)，每提高1K温度需要吸收更多的热量
第二节 热容
二、固体热容的量子理论
同一温度下，物质中不同质点的热振动频率不同，同一质 点振动的能量在不同时刻，大小不同，而且振动能量是量 子化的。
1、爱因斯坦模型 爱因斯坦模型认为：晶体中每一个原子都是一个独立的
振子．原子都以相同的频率振动。
第二节 热容
(1) 当温度较高时， (2) 当T趋于零时，Cv、m逐渐变小，当T=0时，Cv、m=0： 在低温下
第二节 热容
3 对于不可逆转变，伴随转变产生的热效应也是不可逆的
4 材料热容与温度关系可由实验精确测定，经验公式 Cp＝a十bT十cT十·· ·
5 在较高温度下固体的热容具有加和性，即物质的摩尔热容 等于构成该化合物各元素原子热容的总和
第二节 热容
四、热容的测量
通常采用混合法和电热法 1、混合法测量固体材料的比热容 2、电热法测固体的比热容
(3) 热重法(简称TG) ：在程序控制温度下测量 材料的质量与温度关系的一种分析技术。
2．热分析的应用 通过物质在加热或冷却过程中出现各种的热效
应，如脱水、固态相变、熔化、凝固、分解、氧化、 聚合等过程中产生放热或吸热效应来进行物质鉴 定．
在陶瓷生产中可帮助确定各种原料配入量和制 订烧成制度．
在金属材料研究中，热分析方法也有广泛的用 途．