無機材料的熱學性能-第1講

1、西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能熱學性能的應用熱學性能的應用熱學性能的物理基礎熱學性能的物理基礎熱容熱容熱膨脹熱膨脹熱傳導熱傳導熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能我們主要關(guān)心的熱學性能是：我們主要關(guān)心的熱學性能是：熱容：改變溫度水平所需的熱量熱容：改變溫度水平所需的熱量熱膨脹系數(shù)：溫度變化熱膨脹系數(shù)：溫度變化11時體積或線尺寸的時體積或線尺寸的相對變化相對變化熱導率：每單位溫度梯度時通過物體所傳導熱導率：每單位溫度梯度時通過物體所傳導熱量熱量熱穩(wěn)定性：承受溫度的

2、急劇變化而不致破壞熱穩(wěn)定性：承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力的能力 材料及其制品都在一定的溫度環(huán)境下使用，在使材料及其制品都在一定的溫度環(huán)境下使用，在使用過程中，將對不同的溫度作出反映，表現(xiàn)出不同的用過程中，將對不同的溫度作出反映，表現(xiàn)出不同的熱物理性能，這些熱物理性能就稱為材料的熱物理性能，這些熱物理性能就稱為材料的熱學性能。熱學性能。 西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能 熱學性能的應用熱學性能的應用熱處理時，熱容和熱導率決定了陶瓷體中溫度變熱處理時，熱容和熱導率決定了陶瓷體中溫度變化的速率，是決定抗熱應力的基礎，同時也決定操化的速率，是決定抗熱應力

3、的基礎，同時也決定操作溫度和溫度梯度。用作隔熱材料時，低的熱導率作溫度和溫度梯度。用作隔熱材料時，低的熱導率是必需的性能。是必需的性能。陶瓷體或組織中的不同組分由于溫度變化而產(chǎn)生陶瓷體或組織中的不同組分由于溫度變化而產(chǎn)生不均勻膨脹，能夠引起相當大的應力。在研制合適不均勻膨脹，能夠引起相當大的應力。在研制合適的涂層、釉和搪瓷以及將陶瓷和其他材料結(jié)合使用的涂層、釉和搪瓷以及將陶瓷和其他材料結(jié)合使用時所發(fā)生的最常見的困難是起因于溫度所引起的尺時所發(fā)生的最常見的困難是起因于溫度所引起的尺寸變化。寸變化。 一、一、在陶瓷制備和使用中的應用在陶瓷制備和使用中的應用西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機

4、材料的熱學性能無機材料的熱學性能 二、二、在保溫材料中的應用在保溫材料中的應用 據(jù)推算，我國各類窯爐和輸熱管道，由于保溫不據(jù)推算，我國各類窯爐和輸熱管道，由于保溫不善，每年的熱損失折合標煤約為善，每年的熱損失折合標煤約為30004000萬噸。若萬噸。若能使熱減少能使熱減少1520%，就可節(jié)約標煤，就可節(jié)約標煤600800萬噸，萬噸，而保溫材料節(jié)能技術(shù)關(guān)鍵點如下：而保溫材料節(jié)能技術(shù)關(guān)鍵點如下： 保溫材料的優(yōu)選和保溫材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計：保溫材料的優(yōu)選和保溫材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計： 關(guān)鍵熱性能參數(shù)是材料的導熱系數(shù)，要求最小關(guān)鍵熱性能參數(shù)是材料的導熱系數(shù)，要求最小 （熱導率）值時相對應的最佳容重和最佳（熱

5、導率）值時相對應的最佳容重和最佳 內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能 三、三、在電子技術(shù)和計算機技術(shù)中的應用在電子技術(shù)和計算機技術(shù)中的應用在超大規(guī)模集成電路中，要求集成塊的基底材料在超大規(guī)模集成電路中，要求集成塊的基底材料導熱性能優(yōu)良，以免集成塊溫度驟增，熱噪聲增大。導熱性能優(yōu)良，以免集成塊溫度驟增，熱噪聲增大。關(guān)鍵是尋找出既能絕緣，又具有高導熱系數(shù)的材料。關(guān)鍵是尋找出既能絕緣，又具有高導熱系數(shù)的材料。日本已發(fā)明了一種高導熱性的特種碳化硅陶瓷，其日本已發(fā)明了一種高導熱性的特種碳化硅陶瓷，其導熱系數(shù)比一般碳化硅高一個數(shù)量級，比氧化鋁高

6、導熱系數(shù)比一般碳化硅高一個數(shù)量級，比氧化鋁高14倍，且熱膨脹性能與半導體硅相匹配。倍，且熱膨脹性能與半導體硅相匹配。 彩電等多種電路中廣泛應用的大功率管，其底部彩電等多種電路中廣泛應用的大功率管，其底部的有機絕緣片，為了散熱而要求具有良好的熱導性。的有機絕緣片，為了散熱而要求具有良好的熱導性。 西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能3.1 3.1 熱學性能的物理基礎熱學性能的物理基礎熱容熱容熱膨脹熱膨脹熱傳熱傳導導熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性升華升華熔化熔化晶格熱振動晶格熱振動熱性能的物理本質(zhì)熱性能的物理本質(zhì):晶格熱振動晶格熱振動1、熱性能的物理本質(zhì)、熱性能的物理本質(zhì)西

7、南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能晶格熱振動是非簡諧振動；晶格熱振動是非簡諧振動；晶格熱振動是三維的；晶格熱振動是三維的；晶格熱振動是諸質(zhì)點的集體振動。晶格熱振動是諸質(zhì)點的集體振動。晶格熱振動：固體材料是由構(gòu)成材料的質(zhì)點（原固體材料是由構(gòu)成材料的質(zhì)點（原 子、離子）按一定晶格點陣排列堆積而成，一定溫子、離子）按一定晶格點陣排列堆積而成，一定溫度下，點陣中的質(zhì)點總是圍繞其平衡位置作微小的度下，點陣中的質(zhì)點總是圍繞其平衡位置作微小的振動，稱為晶格熱振動。振動，稱為晶格熱振動。1ni（動能）i =熱量各質(zhì)點熱運動時動能總和就是該物體的熱量!2、晶格熱振動的定義及

8、特點、晶格熱振動的定義及特點西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能3、簡諧振動、簡諧振動簡諧振動：物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比、方向總是指向平衡位置的回復力作用下的振動比、方向總是指向平衡位置的回復力作用下的振動；或物體的運動參量（位移、速度、加速度）隨時；或物體的運動參量（位移、速度、加速度）隨時間按正弦或余弦規(guī)律變化的振動。間按正弦或余弦規(guī)律變化的振動。 cos(2/)XAt T式中：式中：X為位移；為位移；A為振幅，即為振幅，即質(zhì)點離開平衡位置時質(zhì)點離開平衡位置時 (x=0) 的最的最大位移絕對值；大位移絕對值

9、；t為時間；為時間；T為為簡諧振動的周期；簡諧振動的周期； 為簡為簡諧振動的位相。諧振動的位相。(2/)t T西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能r斥力引力ro合力rF簡諧振動F-r 線性非簡諧振動F-r 非線性原子間力與原子間距關(guān)系(F-r)圖4、原子的簡諧振動和非簡諧振動、原子的簡諧振動和非簡諧振動溫度，振幅和振動頻率，質(zhì)點的平衡位置改變，相鄰間質(zhì)點平均距離，表現(xiàn)出非簡諧振動的特點。西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能5、一維單原子晶格的線性振動方程、一維單原子晶格的線性振動方程+牛頓第二定律牛頓第二定律：F=d(

10、mv)/dt （牛頓發(fā)表的原始公式）（牛頓發(fā)表的原始公式） 21122cos()nnnnd xmxxxdt式中：式中：m每個質(zhì)點的質(zhì)量；每個質(zhì)點的質(zhì)量； 微觀彈性模量微觀彈性模量，與質(zhì)點間作用力性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。與質(zhì)點間作用力性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。對于每個質(zhì)點，對于每個質(zhì)點，不同即每個質(zhì)點在熱振動時都有一定的不同即每個質(zhì)點在熱振動時都有一定的頻率。材料內(nèi)有頻率。材料內(nèi)有N個質(zhì)點，就有個質(zhì)點，就有N個頻率的振動組合一起個頻率的振動組合一起。西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能 材料質(zhì)點間有很強的相互作用力，一個質(zhì)點的振材料質(zhì)點間有很強的相互作用力，一個質(zhì)點的振動會使

11、鄰近質(zhì)點隨之振動。相鄰質(zhì)點間的振動存在一動會使鄰近質(zhì)點隨之振動。相鄰質(zhì)點間的振動存在一定的位相差，每個質(zhì)點振動可以看成以彈性波的形式定的位相差，每個質(zhì)點振動可以看成以彈性波的形式在晶格中傳播，稱為在晶格中傳播，稱為格波格波。6、格波、格波l聲頻支格波：聲頻支格波：反映各晶胞間的相對運動，是以晶胞反映各晶胞間的相對運動，是以晶胞整體進行振動的單位。能量小，頻率低（聲頻范圍整體進行振動的單位。能量小，頻率低（聲頻范圍, E，1TETeETE1RNkTTTNkTEcEEEv331322低溫區(qū)：低溫區(qū)：kThvekThRC020310kThe10kThv低溫區(qū)域，低溫區(qū)域，CV值按指數(shù)規(guī)律隨溫度值按指

12、數(shù)規(guī)律隨溫度T而變化而變化，而，而不是從實驗中得出的按不是從實驗中得出的按T3變化的規(guī)律。變化的規(guī)律。忽略了各格波的頻率差別，其假設過于簡化。忽略了各格波的頻率差別，其假設過于簡化。西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能金剛石：金剛石： E=1320K理論值（線）與實驗值（點）比較理論值（線）與實驗值（點）比較低溫范圍內(nèi)，愛因斯坦理論值下降比較陡低溫范圍內(nèi)，愛因斯坦理論值下降比較陡西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能模型要點：模型要點： （1）考慮了晶體中原子的相互作用，每個原子都有其固）考慮了晶體中原子的相互作用，每個

13、原子都有其固有頻率。有頻率。 （2）晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振動，即較長的）晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振動，即較長的聲頻支在低溫下的振動；高于聲頻支在低溫下的振動；高于max的頻率在光頻支范圍，的頻率在光頻支范圍，對熱容貢獻很小，可忽略。對熱容貢獻很小，可忽略。 （3）由于聲頻支的波長遠大于晶格常數(shù)，故可將晶體當）由于聲頻支的波長遠大于晶格常數(shù)，故可將晶體當成是連續(xù)介質(zhì)，聲頻支也是連續(xù)的，頻率具有成是連續(xù)介質(zhì)，聲頻支也是連續(xù)的，頻率具有0max（二）（二）德拜比熱模型德拜比熱模型西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能TNkfcDDv3德拜特征溫度德

14、拜特征溫度max11max1076. 0kDdxexeTTftxXDDDd0243) 1(3德拜比熱函數(shù)德拜比熱函數(shù)kTx西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能高溫區(qū)：高溫區(qū)： 杜隆杜隆珀替定律珀替定律DTRCV3低溫區(qū)：低溫區(qū)：DT34)(512DVTRC與與T3成正比成正比西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能德拜定律表明：德拜定律表明：當當T0時，時，CV與與T3成正比并趨于成正比并趨于0。它與實驗結(jié)果十分吻合，溫度越低，近似越好。它與實驗結(jié)果十分吻合，溫度越低，近似越好。 德拜德拜理論與實驗比較（實驗點是鐿的測量值

15、線是德拜理論計算值）0.00.20.40.60.81.00510152025 Cv(J/mol.K)T/D西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能德拜理論的不足德拜理論的不足 因為在非常低的溫度下，只有長波的的激發(fā)是因為在非常低的溫度下，只有長波的的激發(fā)是主要的，對于長波晶格是可以看作連續(xù)介質(zhì)的。主要的，對于長波晶格是可以看作連續(xù)介質(zhì)的。德拜理論在溫度越低的條件下，符合越好。德拜理論在溫度越低的條件下，符合越好。如果德拜模型在各種溫度下都符合，則德拜溫如果德拜模型在各種溫度下都符合，則德拜溫度和溫度無關(guān)。實際上，不是這樣。度和溫度無關(guān)。實際上，不是這樣。西南科

16、技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能4、 熱容隨溫度變化的本質(zhì)熱容隨溫度變化的本質(zhì)以聲子為單位增加振子能量以聲子為單位增加振子能量溫度溫度增加的方式增加的方式T 晶格振動晶格振動 頻率為頻率為v v格波（振子格波（振子）振子的振幅的增加振子的振幅的增加振子的能量增加振子的能量增加 晶格晶格熱量熱量傳遞傳遞形成形成表現(xiàn)表現(xiàn)西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能（1）. T,一定頻率一定頻率v的振子占據(jù)高能級的幾率增加，低的振子占據(jù)高能級的幾率增加，低頻率的振子需要激發(fā)到高能級需要的頻率的振子需要激發(fā)到高能級需要的hv值比較小，值

17、比較小，先先激發(fā)占據(jù)高能級。激發(fā)占據(jù)高能級。 T再再，高頻率的振子，高頻率的振子hv值也得到值也得到滿足，激發(fā)到高能級滿足，激發(fā)到高能級，激發(fā)聲子數(shù)激發(fā)聲子數(shù) 顯著顯著，（2）. T 0K，kThv， 最大頻率的振子也被激發(fā)到高能級，最大頻率的振子也被激發(fā)到高能級，kT=hvmax， 即即德拜特征溫度德拜特征溫度 所有振子占據(jù)高能級的幾率為所有振子占據(jù)高能級的幾率為1， T 再再，不同頻率的不同頻率的振子獲得能量占據(jù)更高能級所激發(fā)的聲子數(shù)相同。振子獲得能量占據(jù)更高能級所激發(fā)的聲子數(shù)相同。1kTnhve溫度溫度 升高，在宏觀上表現(xiàn)為吸熱或放熱，實質(zhì)上升高，在宏觀上表現(xiàn)為吸熱或放熱，實質(zhì)上是各個頻

18、率聲子數(shù)發(fā)生變化！是各個頻率聲子數(shù)發(fā)生變化！西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能5、影響熱容的因素、影響熱容的因素（1 1） 溫度影響溫度影響T Cv DT=0K, C=0T D C3R西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能（2 2）相變）相變相變時，由于熱量的不連續(xù)變化，使熱熔出現(xiàn)突變相變時，由于熱量的不連續(xù)變化，使熱熔出現(xiàn)突變西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能（3 3） 德拜溫度約為熔點的德拜溫度約為熔點的0.2-0.50.2-0.5倍倍（4 4）高溫下，化合物的摩爾熱容等于構(gòu)

19、成）高溫下，化合物的摩爾熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和。（柯普定該化合物各元素原子熱容之和。（柯普定律）律）（5 5）多相復合材料的熱容）多相復合材料的熱容iiCgC （6 6）無機材料的熱容對材料的結(jié)構(gòu)不敏感）無機材料的熱容對材料的結(jié)構(gòu)不敏感 混合物與同組成單一化合物的熱容基本相同?；旌衔锱c同組成單一化合物的熱容基本相同。gi ：材料中第：材料中第i種組成的重量種組成的重量%Ci：材料中第：材料中第i組成的比熱容組成的比熱容（7）單位體積的熱容與氣孔率有關(guān)）單位體積的熱容與氣孔率有關(guān) ：多孔材料熱容小：多孔材料熱容小西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱

20、學性能根據(jù)熱容選材：根據(jù)熱容選材：材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容也不同，質(zhì)量輕，損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容也不同，質(zhì)量輕，熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質(zhì)隔熱磚，便于爐熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質(zhì)隔熱磚，便于爐體迅速升溫，同時降低熱量損耗。體迅速升溫，同時降低熱量損耗。西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能小小 結(jié)結(jié) 熱容是晶體的內(nèi)能對溫度求導。熱容是晶體的內(nèi)能對溫度求導。 內(nèi)能是所有振動格波的能量之和。內(nèi)能是所有振動格波的能量之和。 某一振動格波是以階梯的形

21、式占有能量，兩相鄰能級相某一振動格波是以階梯的形式占有能量，兩相鄰能級相差一個聲子，在差一個聲子，在n 能級上的振動幾率服從波爾茲曼能能級上的振動幾率服從波爾茲曼能量分布規(guī)律量分布規(guī)律 。每一格波所具有的能量為該格波的平均能量，平均能量每一格波所具有的能量為該格波的平均能量，平均能量與聲子的能量之比為平均聲子數(shù)。與聲子的能量之比為平均聲子數(shù)。 德拜根據(jù)假設，求出熱容與溫度的函數(shù)，且定義德拜根據(jù)假設，求出熱容與溫度的函數(shù)，且定義 m/ kB為德拜溫度，通過平均聲子數(shù)與溫度的關(guān)系可知，在為德拜溫度，通過平均聲子數(shù)與溫度的關(guān)系可知，在溫度大于德拜溫度時，最大頻率的格波被激發(fā)出來。溫度大于德拜溫度時，

22、最大頻率的格波被激發(fā)出來。 德拜模型成功地解釋了杜隆德拜模型成功地解釋了杜隆伯替定律，但由于德拜模伯替定律，但由于德拜模型是在一定的假設條件下建立的，因此仍存在不足。型是在一定的假設條件下建立的，因此仍存在不足。西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能tlll0物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹熱膨脹。1 1、熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)物體原來長度為物體原來長度為l0，溫度升高，溫度升高 t后，長度增量為后，長度增量為 l，則有：，則有：線膨脹系數(shù)：溫度升高線膨脹系數(shù)：溫度升高1K時，物體時，物體的相對伸長

23、。的相對伸長。)1 (00talllllt物體在溫度物體在溫度t時的長度為：時的長度為：實際上固體材料實際上固體材料a al l并不是一個常數(shù)，通常隨溫度升高而增大。并不是一個常數(shù)，通常隨溫度升高而增大。無機材料的線膨脹系數(shù)都不大，數(shù)量級約為無機材料的線膨脹系數(shù)都不大，數(shù)量級約為1010-5-51010-6-6/K./K.（1）. 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)3.2 3.2 無機材料的熱膨脹無機材料的熱膨脹西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能物體體積與溫度的關(guān)系為：物體體積與溫度的關(guān)系為：)1 (0taVVVt體膨脹系數(shù)：溫度升高體膨脹系數(shù)：溫度升高1K時，物體體

24、積的的相對增大值。時，物體體積的的相對增大值。（2）. 體膨脹系數(shù)體膨脹系數(shù)各向異性晶體，各晶軸不同方向的線膨脹系數(shù)不同，各向異性晶體，各晶軸不同方向的線膨脹系數(shù)不同，假如分別為假如分別為aa，ab，ac，則有：，則有：cbavaaaa立方晶系：立方晶系：lvaa3西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能由于熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化而變化，由于熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化而變化，上述的上述的值是指值是指定溫度范圍內(nèi)的平均值，應用時要注意適用的溫度范定溫度范圍內(nèi)的平均值，應用時要注意適用的溫度范圍。圍。膨脹系數(shù)的膨脹系數(shù)的精確表達式為：精確表達式為：dTVdVadTld

25、laTvTl,一般隔熱用耐火材料的線膨脹系數(shù)常指一般隔熱用耐火材料的線膨脹系數(shù)常指201000范圍范圍內(nèi)的內(nèi)的al平均數(shù)。平均數(shù)。西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能 研究固態(tài)相變研究固態(tài)相變 儀表工業(yè)儀表工業(yè) 多相多晶材料以及復合材料的選材多相多晶材料以及復合材料的選材 反映材料的熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)反映材料的熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)2 2、熱膨脹系數(shù)的重要性熱膨脹系數(shù)的重要性西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能 可從以下兩方面解釋：可從以下兩方面解釋： （1 ） 質(zhì)點間力質(zhì)點間力質(zhì)點間距關(guān)系質(zhì)點間距關(guān)系 （2 ） 質(zhì)點勢能

26、質(zhì)點勢能質(zhì)點間距關(guān)系質(zhì)點間距關(guān)系3、 熱膨脹機理熱膨脹機理熱膨脹熱膨脹質(zhì)點間距質(zhì)點間距增大增大形狀尺寸形狀尺寸變化變化微觀微觀宏觀宏觀固體材料的熱膨脹本質(zhì)，歸結(jié)為點陣結(jié)構(gòu)中質(zhì)點間固體材料的熱膨脹本質(zhì)，歸結(jié)為點陣結(jié)構(gòu)中質(zhì)點間平均距離隨溫度升高而增大。平均距離隨溫度升高而增大。西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能 （1 ） 質(zhì)點間力質(zhì)點間力質(zhì)點間距關(guān)系質(zhì)點間距關(guān)系TT, ,質(zhì)點振動幅度質(zhì)點振動幅度，質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)受力不質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)受力不對稱情況對稱情況，距離縮小時斥，距離縮小時斥力變大的程度比距離變大時力變大的程度比距離變大時引力變大的程度要大，距離

27、引力變大的程度要大，距離增加更容易。增加更容易。因此：因此： T， 質(zhì)點距離質(zhì)點距離 體積體積西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能 （2） 原子勢能原子勢能原子間距關(guān)系原子間距關(guān)系 r0是能量的最低處，是能量的最低處，T,T,質(zhì)點振動幅度質(zhì)點振動幅度，質(zhì)點振動能量質(zhì)點振動能量，質(zhì)點離開平衡位置質(zhì)點離開平衡位置r r0 0，出現(xiàn)兩個偏離間距，出現(xiàn)兩個偏離間距，最終離開平衡位置的平均距離增加。最終離開平衡位置的平均距離增加。因此：因此： T， 質(zhì)點距離質(zhì)點距離 體積體積西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能3 3、 熱膨脹與

28、其他性能的關(guān)系熱膨脹與其他性能的關(guān)系（1） 熱膨脹與熱容熱膨脹與熱容 晶格振動加劇晶格振動加劇 引起體積膨脹引起體積膨脹( l ) 吸收能量吸收能量 升高單位溫度升高單位溫度 l 、 Cv與溫度有相似的規(guī)律與溫度有相似的規(guī)律=Cv格律乃森格律乃森（Grneisen）從晶格振動理論推導出從晶格振動理論推導出：VVrCK Vr：格律乃森常數(shù)，取值：格律乃森常數(shù)，取值1.52.5之間之間K：絕對零度時的體積彈性模量：絕對零度時的體積彈性模量V：體積：體積體膨脹與定容熱容成正比，并且它們有相似依賴關(guān)系。體膨脹與定容熱容成正比，并且它們有相似依賴關(guān)系。西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學

29、性能無機材料的熱學性能Al2O3 的比熱容、線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系的比熱容、線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能（2） 熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系結(jié)合能越大，則熔點越高，而結(jié)合能越大，則熔點越高，而越小。越小。Tm 熔點熔點 V Tm熔點時的體積熔點時的體積V0 0K時的體積時的體積00T mmVVT aV常數(shù)0.060.076（經(jīng)驗公式（經(jīng)驗公式-固體極限膨脹方程）固體極限膨脹方程）一般純金屬的熱膨脹極限約為一般純金屬的熱膨脹極限約為6%，并非所有金屬材料，并非所有金屬材料的熱膨脹極限都為的熱膨脹極限都為6

30、%！西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能熱膨脹系數(shù)大?。簾崤蛎浵禂?shù)大?。汗矁r晶體共價晶體原子晶體原子晶體離子晶體離子晶體金屬金屬分子晶體分子晶體單質(zhì)材料單質(zhì)材料 ro(10-10m) 結(jié)合能結(jié)合能103J/mol 熔點熔點(oC) l(10-6)金剛石金剛石1.54712.335002.5硅硅2.35364.514153.5錫錫5.3301.72325.3西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能（3） 熱膨脹與徳拜溫度的關(guān)系熱膨脹與徳拜溫度的關(guān)系2/3137MDaTMVbTM2/32laDAVMaVMMT熔點相對原子質(zhì)量原

31、子體積A常數(shù)式中：西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能4 4、影響熱膨脹的因素、影響熱膨脹的因素成分與相變成分與相變晶體缺陷晶體缺陷晶體各向異性晶體各向異性工藝因素工藝因素溫度溫度西南科技大學西南科技大學第三章第三章 無機材料的熱學性能無機材料的熱學性能（1 1）鍵強）鍵強 鍵強越大的材料，膨脹系數(shù)越小，如陶瓷為共價或離子鍵強越大的材料，膨脹系數(shù)越小，如陶瓷為共價或離子鍵，膨脹系數(shù)較小。鍵，膨脹系數(shù)較小。（2 2）. .晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 化學組成相同，但晶體結(jié)構(gòu)不同，膨脹系數(shù)也不同?；瘜W組成相同，但晶體結(jié)構(gòu)不同，膨脹系數(shù)也不同。 結(jié)構(gòu)緊密的晶體結(jié)構(gòu)緊密的晶體大，類似非晶態(tài)玻璃那樣結(jié)構(gòu)松