材料性能學(xué)：8-3熱學(xué)－熱膨脹和導(dǎo)熱-有用

1、材料的熱學(xué)性能熱容熱膨脹熱傳導(dǎo)熱穩(wěn)定性材料的熱膨脹1、熱膨脹系數(shù)（正常膨脹）所有材料都有熱脹冷縮性平均線熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)溫度 T1 時(shí)的試樣長度；溫度 T2 時(shí)的試樣長度平均體熱膨脹系數(shù)：溫度 T1 時(shí)的試樣體積；溫度 T2 時(shí)的試樣體積熱膨脹系數(shù)一般是溫度的函數(shù)線熱膨脹系數(shù)和體熱膨脹系數(shù)溫度 T 時(shí)的線熱膨脹系數(shù)：溫度 T 時(shí)的體熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)是工程上重要的物理參數(shù)之一：許多材料的線熱膨脹系數(shù)是各相異性各向同性材料（立方系）：材料間的封接，真空系統(tǒng)中要求材料的熱膨脹系數(shù)相近、否則易漏氣；多晶、多相的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料中，各相、各方向膨脹系數(shù)的不同會(huì)引起熱應(yīng)力2、熱膨脹的物理本質(zhì)點(diǎn)陣

2、結(jié)構(gòu)中，質(zhì)點(diǎn)之間平均距離隨溫度升高而增大引 力：正離子與自由電子之間的吸引力斥 力：正離子之間的斥力 自由電子之間的斥力熱膨脹機(jī)理 雙原子模型：熱膨脹機(jī)理 雙原子模型：原子間作用力隨距離非線性變化、原子的振動(dòng)是非簡諧振動(dòng)平衡位置 (合力為零)的兩側(cè)合力曲線的斜率不等原子相互作用勢(shì)能曲線勢(shì)能曲線關(guān)于 處的虛線不對(duì)稱原子間作用力作用力和勢(shì)能曲線的斜率較大；作用力和勢(shì)能曲線的斜率較??；原子振動(dòng)時(shí)的平均距離：溫度越高、振幅越大，原子在平衡位置兩側(cè)受力的不對(duì)稱越顯著，新平衡位置右移越多、 越大，晶體膨脹越大。原子平均間距隨溫度的變化：3. 異常熱膨脹：膨脹系數(shù)與其它物理量之間的關(guān)系1）體膨脹系數(shù)與熱容（

3、Cv）之間的關(guān)系（確定相變點(diǎn)） Gruneisen定律： ：Gruneisen系數(shù)K：體彈性模量V：體積2）體膨脹系數(shù)（）與元素的原子序數(shù)（Z）的關(guān)系：呈周期變化3）線膨脹系數(shù)（）與熔點(diǎn)（TM）的關(guān)系：材料的熔點(diǎn)越低，其膨脹系數(shù)越大4）線膨脹系數(shù)（）與德拜溫度（）的關(guān)系（平方）：材料的德拜溫度越高，其膨脹系數(shù)越小M：相對(duì)原子質(zhì)量A：常數(shù)Va：原子體積晶體垂直C平行C晶體垂直C平行CAl2O38.39.3SiO2(石英)1493Al2O32SiO24.55.7NaAlSi3O8413TiO26.88.3C(石墨)127ZrSiO46.88.3Mg(OH)2114.5CaCO3-625各向異性晶體

4、的熱膨脹系數(shù) 5）晶體的各向異性膨脹各層間的結(jié)合力不同引起熱膨脹不同。6）溫度變化時(shí)發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹g/cm3：如：單斜ZrO2 四方ZrO2 5.56 6.1 6.27 立方ZrO2 液相27150C11700C23700CZrO2 的差熱分析曲線99% ZrO2 ，19500C預(yù)燒 1000 1100 1200 1300溫度（ oC ） 0 400 800 1200 溫度（ oC）1.20.8 0.4 未穩(wěn)定ZrO2等軸晶型穩(wěn)定ZrO2ZrO2 的線膨脹系數(shù)（%）與溫度的關(guān)系單質(zhì)材料 ro(10-10m) 結(jié)合能103J/mol 熔點(diǎn)(oC)l(10-6)金剛石1.54712.3

5、35002.5硅2.35364.514153.5錫5.3301.72325.3結(jié)合力強(qiáng)，勢(shì)能曲線深而狹窄，升高同樣的溫度，質(zhì)點(diǎn)振幅增加的較少，熱膨脹系數(shù)小。熱膨脹與結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系熱膨脹與原子結(jié)合鍵有關(guān)：結(jié)合鍵強(qiáng)、熱膨脹小離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合的材料：熱膨脹小；以共價(jià)鍵和范德瓦爾斯結(jié)合的聚合物：熱膨脹系數(shù)最大金屬鍵：具有中等的熱膨脹系數(shù)； 材料陶瓷金屬聚合物4、影響熱膨脹因素?zé)崤蛎浥c結(jié)構(gòu)有關(guān)：非晶材料屬液相結(jié)構(gòu)，材料的熱膨脹除起因于原子間距的增大外、還與材料中的自由體積（未被原子占據(jù)的空位）的膨脹有關(guān)材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵 q q2（常數(shù)） NaCl 1/6 4010-6 1.1010-6 CaF2

6、 2/8 1910-6 1.1910-6 MgO 2/6 1010-6 1.1110-6 ZrO2 4/8 4.510-6 1.1210-6膨脹系數(shù)和鍵強(qiáng)的關(guān)系 主要依賴于鍵強(qiáng)，但在同型構(gòu)造的化合物中變化范圍很大。例如：NaF(3410-6)-LiI(5610-6)，其中LiI、LiCl、 NaI 和NaBr的最大，這是由于它們的正負(fù)離子半徑比大，使負(fù)離子-負(fù)離子團(tuán)相互排斥，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松弛，易于膨脹。相變的影響：用于確定相變點(diǎn)晶體缺陷的影響：空位使得體膨脹系數(shù)增加晶體各向異性的影響鐵磁性的影響：茲致伸縮會(huì)抵消金屬的正常膨脹，產(chǎn)生非常膨脹膨脹的測(cè)量機(jī)械放大測(cè)量：千分表膨脹儀光學(xué)放大測(cè)量：光學(xué)膨脹儀

7、電磁放大測(cè)量：電磁膨脹儀膨脹分析的應(yīng)用確定材料的相變點(diǎn)碳素鋼熱膨脹曲線的解釋材料的熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的定義：一塊材料溫度不均勻或兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸，熱量會(huì)自動(dòng)地從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳播的現(xiàn)象。1、傅里葉導(dǎo)熱定律材料溫度不均勻時(shí)，或兩溫度不同的物體相接觸時(shí)，熱量自動(dòng)從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞熱傳導(dǎo)：均勻金屬棒的兩端分別與兩恒溫?zé)嵩唇佑|熱平衡時(shí)各處的溫度不隨時(shí)間變化穩(wěn)態(tài)熱流密度：單位時(shí)間內(nèi)通過與熱傳導(dǎo)方向垂直的單位面積的熱能通過金屬棒的熱流密度：負(fù)號(hào)：熱能從高溫向低溫傳遞與擴(kuò)散有相似性熱導(dǎo)率，單位：熱導(dǎo)率反映材料的導(dǎo)熱能力、不同材料的導(dǎo)熱能力差異很大絕緣材料：金屬：合金：非金屬：非穩(wěn)定狀態(tài)方程：溫度隨時(shí)間

8、的變化d：材料的密度Cp：等壓比熱容T1小 具有:較少的振動(dòng)模式較小的振動(dòng)振幅較少的聲子被激發(fā)較少的聲子數(shù)T大具有:較多的振動(dòng)模式較大的振動(dòng)振幅較多的聲子被激發(fā)較多的聲子數(shù)聲子的熱傳導(dǎo)平衡時(shí)：同樣多的振動(dòng)模式振同樣多的振動(dòng)振幅同樣多的聲子被激發(fā)同樣多的聲子數(shù)熱傳導(dǎo)dT/dx (溫度梯度）Q = -dT/dx（能流密度）J/s.cm2單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積的熱能. 晶體的熱導(dǎo)系數(shù)J/s.cm oC作用于產(chǎn)生電子聲子晶體光子2、熱傳導(dǎo)機(jī)理（微觀機(jī)制）氣體的導(dǎo)熱機(jī)制：分子之間的碰撞固體的組成質(zhì)點(diǎn)只能在平衡位置附近作微小振動(dòng)，不能像氣體依靠分子碰撞傳遞熱量固體導(dǎo)熱機(jī)制：聲子（晶格振動(dòng)的晶格波）和自由

9、電子固體熱導(dǎo)率：聲子熱導(dǎo)率電子熱導(dǎo)率非金屬和絕緣材料：以聲子導(dǎo)熱為主，自由電子導(dǎo)熱為次純金屬：以自由電子導(dǎo)熱為主，聲子導(dǎo)熱為次合金：電子和聲子共同起作用 從晶格格波的聲子理論可知，熱傳導(dǎo)過程：聲子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的擴(kuò)散過程。熱 阻： 聲子擴(kuò)散過程中的各種散射。根據(jù)氣體熱傳導(dǎo)的經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)，熱傳導(dǎo)系數(shù) ： =cv v l / 3Cv：單位體積氣體分子的比熱-單位體積中聲子的比熱； v ：氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度-聲子的運(yùn)動(dòng)速度； l：氣體分子的平均自由程-聲子的平均自由程。Cv在高溫時(shí)，接近常數(shù)，在低溫時(shí)它隨T 3變化；聲速v 為一常數(shù)。 主要討論影響聲子的自由程 l 的因素。1）聲子的熱傳

10、導(dǎo)機(jī)理影響熱傳導(dǎo)性質(zhì)的聲子散射主要有四種機(jī)制： 如果 Kn =0形成新聲子的動(dòng)量方向和原來兩個(gè)聲子的方向相一致，此時(shí)無多大的熱阻。 -正規(guī)過程 q1 + q2 = q 3+Kn或 q1 + q2 Kn = q 3（1） 聲子的碰撞過程q1 ，q2相當(dāng)大時(shí)， Kn 0，碰撞后，發(fā)生方向反轉(zhuǎn)，從而破壞了熱流方向產(chǎn)生較大的熱阻。翻轉(zhuǎn)過程（聲子碰撞） Knq1 + q2 q2q1 q 3聲子碰撞的幾率： exp(-D/2T) 即溫度越高，聲子間的碰撞頻率越高，則聲子的平均自由程越短。散射強(qiáng)弱與點(diǎn)缺陷的大小和聲子的波長相對(duì)大小有關(guān)。qT在低溫時(shí)，為長波，波長比點(diǎn)缺陷大的多，估計(jì) ： 波長 D a/T猶如

11、光線照射微粒一樣，從雷利公式知: 散射的幾率 1/4 T4，平均自由程與T4成反比（熱阻大）.在高溫時(shí)，聲子的波長和點(diǎn)缺陷大小相近似，點(diǎn)缺陷引起的熱阻與溫度無關(guān)。平均自由程為一常數(shù)（熱阻?。?。（2） 點(diǎn)缺陷的散射點(diǎn)缺陷的大小是原子的大?。涸谖诲e(cuò)附近有應(yīng)力場(chǎng)存在，引起聲子的散射，其散射與T2成正比。平均自由程與T2成反比。（3） 晶界散射聲子的平均自由程隨溫度降低而增長，增大到 晶粒大小時(shí)為止，即為一常數(shù)。晶界散射和晶粒的直徑d成反比，平均自由程與d成正比。（4） 位錯(cuò)的散射Cv聲子 碰撞l點(diǎn)缺陷l晶界l 位錯(cuò)低溫lT3 l exp(D/2T) lT -4ldl1/ T2 T3 exp(D/2

12、T)T -1d T3 T高溫常數(shù)exp(D/2T)常數(shù)(晶格常數(shù))1/ T2 exp(D/2T)常數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系固體中的分子、原子和電子 振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng) 電磁波（光子）電磁波覆蓋了一個(gè)較寬的頻譜。其中具有較強(qiáng)熱效應(yīng)的在可見光與部分近紅外光的區(qū)域，這部分輻射線稱為熱射線。熱射線的傳遞過程-熱輻射。熱輻射在固體中的傳播過程和光在介質(zhì)中的傳播過程類似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。光子在介質(zhì)中的傳播過程 光子的導(dǎo)熱過程。2）光子熱導(dǎo)固體中的輻射傳熱過程的定性解釋：吸收輻射熱穩(wěn)定狀態(tài)輻射源T1T2能量轉(zhuǎn)移 輻射能的傳遞能力： r= 16n2T3lr /3 ： 波爾茲曼常數(shù)（5.6710-8W

13、/(m2K4)； n ：折射率； lr： 光子的平均自由程。對(duì)于輻射線是透明的介質(zhì)，熱阻小， lr較大， 如：單晶、玻璃，在773-1273K輻射傳熱已很明顯；對(duì)于輻射線是不透明的介質(zhì)，熱阻大， lr很小， 如：大多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在1773K高溫下輻射明顯；對(duì)于完全不透明的介質(zhì)， lr=0，輻射傳熱可以忽略。3、金屬的熱導(dǎo)率金屬主要熱載流子 自由電子 （電載流子）熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率間的聯(lián)系：不太低的溫度下（Wiedemann Franz 首先發(fā)現(xiàn)）金屬熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比正比于溫度洛侖茲系數(shù) (Lorentz number)理論值：4、合金的熱導(dǎo)率如同合金的電導(dǎo)率比純金屬的電導(dǎo)率，合金金屬原因

14、：合金中的自由電子受合金晶格、雜質(zhì)、非均勻相的散射強(qiáng)烈10203040組成，熱導(dǎo)率Cu Zn 合金熱導(dǎo)率隨Zn 含量的變化Zn 含量增加、熱導(dǎo)率下降聲子在傳播時(shí)受原子排列高度無序的不均勻相的強(qiáng)烈地散射熱的不良導(dǎo)體、熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于金屬陶瓷中的空隙對(duì)熱導(dǎo)率影響最大，空隙率高、導(dǎo)熱率低多孔陶瓷、多孔聚合物絕熱材料5、非金屬 （ 陶瓷）、聚合物的熱導(dǎo)率傳遞熱量的熱載流子主要是聲子陶瓷的組成和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬復(fù)雜：除晶相、還包括玻璃相及一定的空隙T3 40K 1600K exp(D/2T)熱輻射氧化鋁單晶的熱導(dǎo)率隨溫度的變化（1） 溫度的影響6、 影響熱導(dǎo)率的因素 0 400 800 1200 1600 20

15、0010.10.010.0010.0001Pt石墨SiC粘土耐火磚SiO2玻璃粉末MgO28000F隔熱磚20000F隔熱磚MgOAl2O3ZrO2溫度(0C)BeO熱傳導(dǎo)系數(shù)(卡/秒厘米0C) 線性簡諧振動(dòng)時(shí)，幾乎無熱阻，熱阻是由非線性振動(dòng)引起，即：晶格偏離諧振程度越大，熱阻越大。 物質(zhì)組分原子量之差越小，質(zhì)點(diǎn)的原子量越小，密度越小 德拜溫度越大，結(jié)合能大熱傳導(dǎo)系數(shù)越大（2）化學(xué)組成的影響 單質(zhì)材料具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)金剛石的熱傳導(dǎo)系數(shù)比任何其他材料都大，常用于固體器件的基片。例如；GaAs激光器做在上面，能輸出大功率。 較低原子量的正離子形成的氧化物和碳化物具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，如: BeO

16、,SiC 10 30 100 300 原子量UCSiBeBMgAlZnNiTh碳化物氧化物CaTi 晶體是置換型固溶體，非計(jì)量化合物時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)降低。 0 20 40 60 80 100MgO 體積分?jǐn)?shù) NiO 熱傳導(dǎo)系數(shù)(卡/秒厘米0C0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 化學(xué)組成復(fù)雜的固體具有小的熱傳導(dǎo)系數(shù)如MgO,Al2O3和MgAl2O4結(jié)構(gòu)一樣，而MgAl2O4的熱傳導(dǎo)系數(shù)低，2Al2O33SiO2莫來石比尖晶石更小.晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界處雜質(zhì)多，對(duì)聲子散射大。A 晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動(dòng)偏離非線性越大，熱導(dǎo)率越低。B 晶向不同，熱傳導(dǎo)系數(shù)也不一樣，如：石墨、BN為層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)比層間的大4倍，在空間技術(shù)中用于屏蔽材料。C 多晶體與單晶體同一種物質(zhì)多晶體的熱導(dǎo)率總比單晶小。(3) 結(jié)構(gòu)的影響材料的熱應(yīng)力材料熱脹或冷縮引起的內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力：引起材料塑性變形、特性變化、甚至斷裂熱應(yīng)力主要來源下列三個(gè)方面：1、熱脹冷縮受到限制產(chǎn)生的熱應(yīng)力均質(zhì)、各向同性的棒，受到均勻加熱或冷卻、棒內(nèi)不存在溫度梯度若棒兩端未被夾持：棒能自由膨脹或收縮、內(nèi)部無熱