材料的熱性能

材料的熱性能第1頁/共105頁第二章固體中電子能量結(jié)構(gòu)與狀態(tài)第一章量子力學(xué)基礎(chǔ)第七章磁性能第五章光學(xué)性能第四章介電性能第六章熱性能目錄《材料物理性能》Page

2第三章電性能第2頁/共105頁6.1材料的熱容

6.2材料的熱膨脹

6.3材料的導(dǎo)熱性

6.4熱電性

6.5材料的熱穩(wěn)定性Page

3第六章材料的熱性能《材料物理性能》第3頁/共105頁內(nèi)容：包括熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性等?；靖拍睢⑽锢肀举|(zhì)、影響因素、主要測試方法及其在材料研究中的應(yīng)用Page

4材料的熱性能第4頁/共105頁晶格熱振動(dòng)——熱性能的物理本質(zhì)晶體點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子)總是圍繞平衡位置做微小振動(dòng)。Page

5晶格振動(dòng)是三維的，當(dāng)振動(dòng)很微弱時(shí)，可認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)作簡諧振動(dòng)，其簡諧振動(dòng)方程為溫度升高時(shí)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能增大，質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)相互影響，相鄰質(zhì)點(diǎn)間的振動(dòng)存在一定的相位差，晶格振動(dòng)以波(格波)的形式在整個(gè)材料內(nèi)傳播。格波在固體中的傳播速度：v=3×103m/s,晶格常數(shù)a為10-10m數(shù)量級，格波最高振動(dòng)頻率：vmax=v/2a=1.5×1013

Hz

∑(動(dòng)能)i＝熱能材料的熱性能第5頁/共105頁P(yáng)age

6聲頻支振動(dòng)與光頻支振動(dòng)如果振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)中包含頻率很低的格波，質(zhì)點(diǎn)間的相位差不大時(shí)，則格波類似于彈性波，稱為“聲頻支振動(dòng)”，可以看成是相鄰質(zhì)點(diǎn)具有相同的振動(dòng)方向。由于兩種原子的質(zhì)量不同，振幅也不同，所以兩原子間會(huì)有相對運(yùn)動(dòng)，如圖(a)所示：

格波中頻率很高的振動(dòng)波，質(zhì)點(diǎn)間的相位差很大，鄰近質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)幾乎相反時(shí)，頻率往往在紅外光區(qū)，稱為“光頻支振動(dòng)”，可以看成相鄰原子振動(dòng)方向相反，形成了一個(gè)范圍很小、頻率很高的振動(dòng)。材料的熱性能第6頁/共105頁P(yáng)age

76.1材料的熱容6.1.1熱容的概念1．熱容的定義在沒有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量。熱容C的表達(dá)式不同溫度下，物體的熱容不一定相同（J/K）2．比熱一克物質(zhì)的熱容稱為比熱容(比熱)，單位是J/(K?g)，用小寫的c表示。3．摩爾熱容1mol物質(zhì)的熱容稱為摩爾熱容Cm

，單位是J/(K?mol)。第7頁/共105頁P(yáng)age

86.1材料的熱容4．真熱容與平均熱容同一種材料在不同溫度時(shí)的熱容也往往不同。把某一溫度下的熱容稱為真熱容。通常工程上所用的平均熱容是指材料從溫度T1到T2所吸收的熱量的平均值。T2-T1范圍愈大，C均精度愈差。QTT1T212第8頁/共105頁6.1材料的熱容物體的熱容還與它的熱過程有關(guān)。定壓熱容(Cp)：加熱過程是恒壓條件下進(jìn)行時(shí)所測定的熱容。定容熱容(Cv)：加熱過程中保持物體容積不變時(shí)所測定的熱容。Page

9Q：熱量，E：內(nèi)能，H：焓CPCV5．恒壓熱容與恒容熱容第9頁/共105頁6.1材料的熱容無相變時(shí)，熱容隨溫度的變化規(guī)律

I區(qū)（接近0K）：CV∝T

II區(qū)（低溫區(qū)）：CV∝T3

III區(qū)（高溫區(qū)）：CV趨于恒定IIIIIICVT金屬在室溫以上CV很快接近25/K?mol，陶瓷在1000oC左右才趨于這一數(shù)值。Page

10第10頁/共105頁P(yáng)age

116.1材料的熱容固體熱容由兩部分組成：

一部分來自晶格振動(dòng)的貢獻(xiàn)，稱為晶格熱容；

另一部分來自電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)，稱為電子熱容。除非在極低溫度下，電子熱容是很小的（常溫下只有晶格熱容的1％）。熱容是固體原子熱運(yùn)動(dòng)在宏觀性質(zhì)上的最直接體現(xiàn)第11頁/共105頁P(yáng)age

126.1材料的熱容經(jīng)典熱容理論杜隆愛因斯坦德拜愛因斯坦量子熱容理論德拜量子熱容理論

固體熱容理論根據(jù)質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)的特點(diǎn)，從理論上闡明了熱容的本質(zhì)并建立熱容隨溫度變化的關(guān)系，其發(fā)展過程：6.1.2固體熱容理論簡介第12頁/共105頁6.1材料的熱容1、杜?。晏娑桑汉雎宰杂呻娮訉崛莸呢暙I(xiàn)，假設(shè)振動(dòng)能量只由原子熱振動(dòng)引起，根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)中的能量均分定理，每個(gè)原子的平均動(dòng)能、位能之和為3kT。1mol固體中有N0個(gè)原子，則總能量為：式中，k為玻爾茲曼常數(shù)、k=R/N0=1.381×10-23J/K、R=8.314J/(K·mo1)。

按熱容定義摩爾熱容是與溫度T無關(guān)的常數(shù)，元素原子熱容為25J/(K·mol)，即杜隆一珀替定律。Page

13第13頁/共105頁6.1材料的熱容對于雙原子固態(tài)化合物，1mol中的原子數(shù)為2N，故摩爾熱容為Cv=2×25J/(K·mo1)，三原子固態(tài)化合物的摩爾熱容Cv=3×25J/(K·mo1)，其余依此類推。

杜隆一珀替定律在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是很符合的。但在低溫時(shí)，熱容的實(shí)驗(yàn)值隨溫度T3降低而減小，在接近0K時(shí)，熱容值正比于T趨于0。

另一個(gè)化合物的熱容定律——紐曼—柯普定律：化合物分子熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和C=Σnici，ni＝化合物中元素i的原子數(shù)，ci＝元素

i的摩爾熱容。Page

14第14頁/共105頁6.1材料的熱容Page

152、愛因斯坦量子熱容理論：假設(shè)：每個(gè)原子都是一個(gè)獨(dú)立的諧振子，原子之間彼此無關(guān)，并且都是以相同的角頻w振動(dòng)。每個(gè)振子的振動(dòng)能量：聲子量子數(shù)，取0、1、2、3……零點(diǎn)能諧振子能量是量子化的，以聲子(格波的能量量子)為最小基本單位。引入聲子的好處：簡諧近似下晶格振動(dòng)的熱力學(xué)問題可當(dāng)作由聲子組成的理想氣體系統(tǒng)來處理。若考慮非簡諧效應(yīng)，可看作有相互作用的聲子氣體。材料熱量的得失過程就是聲子的得失過程，熱傳導(dǎo)依靠聲子的傳播。第15頁/共105頁P(yáng)age

16根據(jù)Boltzmann幾率分布，能量為En的諧振子數(shù)：溫度T、振動(dòng)頻率為v的諧振子平均能量：1mol晶體的平均振動(dòng)能量：6.1材料的熱容第16頁/共105頁6.1材料的熱容Page

17高溫時(shí)，T>>QE

CV,m≈3N0k=3R=25J/(K·mol)低溫時(shí)，T<<QE

T→0K時(shí)，CV,m

→0。缺陷：低溫段偏差大，未考慮質(zhì)點(diǎn)相互作用及忽略各原子的振動(dòng)頻率之間的差別晶體定容摩爾熱容：愛因斯坦比熱函數(shù)QE

=?w/k：愛因斯坦溫度CVT愛因斯坦曲線實(shí)驗(yàn)曲線QE第17頁/共105頁6.1材料的熱容Page

18①考慮晶體中原子的相互作用；②低溫下聲頻支占主導(dǎo)地位；③把晶體近似地看作為連續(xù)介質(zhì)；④高于vmax的振動(dòng)不在聲頻支而在光頻支范圍，對熱容貢獻(xiàn)很小，可忽略不計(jì)；⑤vmax由分子密度及聲速?zèng)Q定。3、徳拜量子熱容理論：德拜假設(shè):由上述假設(shè)導(dǎo)出了熱容的表達(dá)式：德拜比熱函數(shù)式中，德拜溫度取決于化學(xué)鍵強(qiáng)度、彈性模量、熔點(diǎn)第18頁/共105頁高溫時(shí)，T>>QD

CV,m≈3N0k=3R=25J/(K·mol)低溫時(shí)，T<<QD缺陷：假設(shè)晶體為連續(xù)體，對于原子振動(dòng)頻率較高的部分不適用；未考慮電子熱容，不能很好地解釋金屬熱容在極高溫及極低溫的變化規(guī)律CVT德拜曲線實(shí)驗(yàn)曲線Page

196.1材料的熱容這表明當(dāng)T→0時(shí)，CV,m與T3成正比并趨于0，這就是德拜T3定律，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合，溫度越低，近似越好。第19頁/共105頁6.1材料的熱容Page

201、金屬實(shí)驗(yàn)熱容

溫度很低時(shí)，原子振動(dòng)熱容滿足徳拜熱容公式，則電子熱容與原子振動(dòng)熱容之比為若取QD=200，，則當(dāng)T<1.4K時(shí)，即實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)T<5K時(shí)，即金屬熱容以電子貢獻(xiàn)為主。當(dāng)溫度很低時(shí)，金屬熱容需要同時(shí)考慮晶格振動(dòng)和自由電子兩部分的貢獻(xiàn)，可以寫成6.1.3金屬和合金的熱容第20頁/共105頁

金屬熱容總結(jié)：溫度極低或極高時(shí)，自由電子對熱容有貢獻(xiàn)常溫下點(diǎn)陣熱容大于電子熱容過渡金屬的電子熱容較大，包括s層電子熱容、d層或f層電子的熱容。過渡金屬的熱容遠(yuǎn)比簡單金屬的大銅的熱容隨溫度變化的曲線Page

216.1材料的熱容第21頁/共105頁6.1材料的熱容Page

222、徳拜溫度而A和B也可通過實(shí)驗(yàn)測得，通過對比可檢驗(yàn)理論的正確性。

林德曼公式：式中，M是相對原子質(zhì)量、Va是原子體積、TM為熔點(diǎn)(K)。則：A值QD反映了原子間結(jié)合力，熔點(diǎn)越高，材料原子結(jié)合力越強(qiáng)，QD就越高，尤其是M小的金屬。第22頁/共105頁6.1材料的熱容Page

233、合金熱容一般情況下（鐵磁合金除外）可用柯普定律熱處理對合金高溫下的熱容沒明顯影響（改變阻值）金屬熱容的一般概念適用于金屬和多相合金，但合金中還應(yīng)考慮合金相熱容及合金形成熱等。紐曼—柯普定律：C=Σnici

ni＝組元i所占的原子百分?jǐn)?shù)、ci＝各組元

i的摩爾熱容。適用于多相混合組織、固溶體或化合物。由此計(jì)算的理論值與實(shí)驗(yàn)值最大誤差<4%，但應(yīng)當(dāng)指出它不適應(yīng)于低溫條件。第23頁/共105頁6.1材料的熱容Page

24

陶瓷材料的熱容與溫度關(guān)系更符合徳拜模型。材料的QD取決于鍵合強(qiáng)度、彈性模量、熔點(diǎn)等，石墨QD=1973K，BeOQD=1173K，Al2O3

QD=923K，QD≈0.20.5TM

。不同溫度下某些陶瓷材料的熱容6.1.4陶瓷材料的熱容第24頁/共105頁6.1材料的熱容Page

25摩爾比為1:1的不同形式的CaO+SiO2的熱容相變時(shí)，由于熱量不連續(xù)變化，熱容出現(xiàn)突變多相復(fù)合材料的熱容遵循紐曼—柯普定律

陶瓷材料的熱容與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系不大，混合物與同組成單一化合物的熱容基本相同。第25頁/共105頁P(yáng)age

266.1材料的熱容

金屬及合金在發(fā)生相變前后，伴隨一定的熱效應(yīng)，其構(gòu)成了金屬及合金熱容的附加部分，使熱容出現(xiàn)異常的變化。根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)相變前后的變化，相變可分為一級相變、二級相變和亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變。焓、自由能、熵、熱容隨溫度變化示意圖6.1.5相變對熱容的影響第26頁/共105頁特點(diǎn)：相變點(diǎn)具有處于平衡的兩個(gè)相，且在兩相之間存在分界面。如純金屬的熔化、凝固，合金的共晶與包晶轉(zhuǎn)變，固態(tài)合金中的共析轉(zhuǎn)變及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等。除有體積突變外，還伴隨相變潛熱的發(fā)生。熱焓曲線出現(xiàn)躍變，熱容趨于無窮大。HTTc一級相變焓和熱容隨溫度的變化Page

276.1材料的熱容

一級相變：在特定溫度(相變點(diǎn))下發(fā)生的轉(zhuǎn)變。第27頁/共105頁特點(diǎn)：轉(zhuǎn)變過程中只有一個(gè)相。如磁性轉(zhuǎn)變、有序－無序轉(zhuǎn)變及合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等。無相變潛熱，熱容曲線發(fā)生突變。亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：不可逆組織轉(zhuǎn)變。如過飽和固溶體的時(shí)效，變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶，馬氏體和殘余奧氏體的回火轉(zhuǎn)變等。亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)要釋放熱量，熱容-溫度曲線向下拐折。HTTC二級相變焓和熱容隨溫度的變化Page

286.1材料的熱容

二級相變：一個(gè)溫度范圍內(nèi)發(fā)生的轉(zhuǎn)變第28頁/共105頁P(yáng)age

296.1材料的熱容是根據(jù)材料在不同溫度下發(fā)生的熱量、質(zhì)量、體積等物理參數(shù)與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對材料進(jìn)行分析研究。物理性質(zhì)熱分析技術(shù)名稱質(zhì)量熱重法(TG)、等壓質(zhì)量變化測定、逸出氣檢測(EGD)、逸出氣分析(EGA)、放射熱分析、熱微粒分析溫度升溫曲線測定、差熱分析(DTA)熱量差示掃描量熱法(DSC)尺寸熱膨脹法力學(xué)特征熱機(jī)械分析(TMA)、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械法(DMA)聲學(xué)特征熱發(fā)聲法、熱傳聲法光學(xué)特征熱光學(xué)法電學(xué)特征熱電學(xué)法磁學(xué)特征熱磁學(xué)法6.1.6熱分析第29頁/共105頁用途：測量有機(jī)物分解溫度，研究高聚物的熱穩(wěn)定性TIMNi(OH)2Page

306.1材料的熱容1、熱重法（TG）在程序控制溫度下測量材料的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種分析技術(shù)。熱重法試驗(yàn)得到的曲線稱為TG(熱重)曲線。TG曲線以溫度作橫坐標(biāo)，以試樣的失重作縱坐標(biāo)，顯示試樣的質(zhì)量隨溫度的升高而發(fā)生的變化。第30頁/共105頁在程序控制溫度下，測量試樣和參比物之間的溫度差隨溫度(T)或時(shí)間(t)的變化關(guān)系。分析所采用的參比物應(yīng)是熱惰性物質(zhì)，即在整個(gè)測試溫度范圍內(nèi)不發(fā)生分解、相變和破壞，也不與被測物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。參比物的熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等應(yīng)盡量與試樣接近。缺點(diǎn)：重復(fù)性差，分辨率不夠高非晶TiO2+炭黑Page

316.1材料的熱容2、差熱分析（DTA）第31頁/共105頁在程序控制溫度下，用差動(dòng)法測量加熱或冷卻過程中，為使試樣與參比物保持同樣的溫度，所要補(bǔ)充的熱量與溫度和時(shí)間的關(guān)系。用途：測量相變溫度，進(jìn)行相變潛熱分析，研究各種因素對聚合物的玻璃化與結(jié)晶－熔融轉(zhuǎn)變的影響。Inconel718優(yōu)點(diǎn)：溫差為0，不受熱阻影響，有很好定量性Page

326.1材料的熱容3、差示掃描量熱法（DSC）第32頁/共105頁P(yáng)age

336.1材料的熱容研究組織轉(zhuǎn)變：淬火態(tài)樣品250oC回火2小時(shí)樣品淬火馬氏體→回火馬氏體殘余奧氏體→回火馬氏體碳化鐵→滲碳體6.1.7熱分析應(yīng)用通過物質(zhì)在加熱或冷卻過程中出現(xiàn)各種的熱效應(yīng)，如脫水、固態(tài)相變、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等過程中產(chǎn)生放熱或吸熱效應(yīng)來進(jìn)行物質(zhì)鑒定。

在金屬材料研究中，熱分析方法也有廣泛的用途：第33頁/共105頁凝固點(diǎn)共晶點(diǎn)取某一成份合金，測定DTA曲線，獲得凝固和共晶轉(zhuǎn)變溫度將不同成份合金的凝固和共晶轉(zhuǎn)變溫度連成平滑的曲線加熱或冷卻速度應(yīng)小于5oC/minPage

346.1材料的熱容建立合金相圖：測定合金的液-固、固-固相變的臨界點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：測量溫度范圍寬，可測定任何轉(zhuǎn)變的熱效應(yīng)。第34頁/共105頁熱彈性馬氏體相變研究：熱彈性馬氏體相變體積效應(yīng)小，難以用膨脹法研究，電阻法則有較大誤差。相變時(shí)熱效應(yīng)顯著，可用DSC法。合金的有序－無序轉(zhuǎn)變研究Ti-Ni合金的DSC測量結(jié)果，顯著的吸熱與放熱峰，可準(zhǔn)確判斷其相變點(diǎn)Cu-Zn合金比熱曲線Page

356.1材料的熱容第35頁/共105頁

質(zhì)點(diǎn)間的作用力非線性r<r0時(shí)，斥力隨位移減小而增加較快r>r0時(shí)，引力隨位移增大而衰減較慢Page

366.2材料的熱膨脹一、熱膨脹機(jī)理晶體中質(zhì)點(diǎn)引力-斥力曲線和位能曲線固體材料的熱膨脹與原子的非簡諧振動(dòng)(非線性振動(dòng))有關(guān)。溫度升高，原子振幅增加，導(dǎo)致原子間距增大，因此產(chǎn)生熱膨脹。第36頁/共105頁P(yáng)age

376.2材料的熱膨脹

在雙原子模型中（a圖），溫度為0K時(shí)，假設(shè)一個(gè)原子在原點(diǎn)，另一個(gè)原子在r0，為當(dāng)溫度升高時(shí)候，兩個(gè)原子就會(huì)由于熱運(yùn)動(dòng)而位置發(fā)生改變。令它離開平衡位置的位移為x，兩原子間的距離為r=r0+x，U(r)是兩個(gè)原子距離的勢能。因?yàn)榍伊?，則原式為：如果只考慮上式的前兩項(xiàng)，則位能曲線是拋物線，原子間的引力為：，2c是微觀彈性系數(shù)，為線性簡諧振動(dòng)，平衡位置仍在r0處。第37頁/共105頁P(yáng)age

386.2材料的熱膨脹

但對于熱膨脹問題，如果還只考慮前兩項(xiàng)，就會(huì)得出所有固體物質(zhì)均無熱膨脹，因此必須再考慮第三項(xiàng)。此時(shí)點(diǎn)陣能曲線為三次拋物線，即固體的熱振動(dòng)是非線性振動(dòng)。用波爾茲曼統(tǒng)計(jì)法，可算出平均位移。說明，隨溫度增加，原子偏離0K的振動(dòng)中心距離增大，物體在宏觀上體積膨脹了。第38頁/共105頁線膨脹系數(shù):體膨脹系數(shù):各向同性晶體：各向異性晶體：無機(jī)材料線膨脹系數(shù)一般在10-5－10-6K-1數(shù)量級，通常al越小，材料熱穩(wěn)定性越好（Si3N4：2.7×10-6

K-1）。Page

396.3材料的熱膨脹二、熱膨脹系數(shù)熱膨脹：物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象。第39頁/共105頁熱膨脹系數(shù)與熱容：熱膨脹是固體受熱后晶格振動(dòng)加劇而引起體積膨脹，熱運(yùn)動(dòng)能量增大。升高單位溫度能量的增量就是熱容，所以熱膨脹系數(shù)與熱容有密切關(guān)系。格律乃森定律

r為格律乃森常數(shù)(1.52.5)，K0為體積彈性模量Al2O3線膨脹系數(shù)、熱容與溫度的關(guān)系Page

406.3材料的熱膨脹三、膨脹系數(shù)與其他物理量的關(guān)系熱膨脹系數(shù)與熱容變化的特征基本一致。第40頁/共105頁熱膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)遵循經(jīng)驗(yàn)公式：TM=b，b為常數(shù)對大多數(shù)立方、六方晶格b取0.060.07元素線膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)TM的關(guān)系：

=0.02/TM氧化物、鹵化物線膨脹系數(shù)與TM的關(guān)系：

=0.038/TM×10-6Page

416.2材料的熱膨脹熱膨脹系數(shù)與結(jié)合能、熔點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)與物質(zhì)內(nèi)原子間的斥力、引力大小以及原子間的鍵能大小直接有關(guān)。熔點(diǎn)是其結(jié)合鍵強(qiáng)度的表征之一。格律乃森金屬的體熱膨脹極限方程：單質(zhì)材料結(jié)合能（×103J/mol）熔點(diǎn)℃金剛石1.54712.335002.5硅2.35364.514153.5錫5.3301.72325.3第41頁/共105頁P(yáng)age

426.2材料的熱膨脹熱膨脹系數(shù)與徳拜溫度：熱膨脹系數(shù)與原子序數(shù)：隨原子序數(shù)呈明顯周期變化。熱膨脹系數(shù)與純金屬硬度：硬度越高，膨脹系數(shù)越小。第42頁/共105頁化學(xué)組成：形成固溶體合金時(shí)，溶質(zhì)元素的種類及含量對合金的熱膨脹有明顯影響；形成化合物時(shí)，原子間相互作用比形成固溶體間的作用大得多，化合物的膨脹系數(shù)比固溶體小得多；鋼中合金元素對鋼膨脹系數(shù)的影響由其形成碳化物還是固溶于鐵素體所決定，前者使膨脹系數(shù)增大，后者使之降低。晶體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)松散的材料膨脹系數(shù)較小，結(jié)晶石英

vs非晶石英（24:1）鍵強(qiáng)度越高，膨脹系數(shù)越小。陶瓷（共價(jià)鍵、離子鍵）膨脹系數(shù)一般比金屬（金屬鍵）的小Page

436.3材料的熱膨脹四、影響熱膨脹的因素第43頁/共105頁相變材料發(fā)生相變時(shí)，其膨脹系數(shù)也發(fā)生變化。金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)（一級相變），點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排,體積突變，線膨脹系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化。有序－無序轉(zhuǎn)變（二級相變）時(shí)無體積突變，膨脹系數(shù)在相變區(qū)出現(xiàn)拐折。例如：ZrO2

(1000oC)：單斜→四方相，收縮4%。解決方案：加入MgO,CaO,Y2O3，在高溫下形成立方晶形的固溶體（穩(wěn)定化ZrO2），在溫度小于2000oC時(shí)，不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。多相合金的膨脹系數(shù)可按混合定則估算：a=∑Viai一級相變二級相變完全穩(wěn)定化ZrO2純ZrO2Page

446.3材料的熱膨脹第44頁/共105頁反常膨脹鐵磁性金屬和合金，膨脹系數(shù)隨溫度變化不同一般金屬，在正常的膨脹曲線上出現(xiàn)附加的膨脹峰。原因：磁致伸縮抵消正常的膨脹應(yīng)用：可做膨脹系數(shù)為0或?yàn)樨?fù)值的因瓦合金Page

456.3材料的熱膨脹晶體各向異性對于結(jié)構(gòu)對稱性較低的金屬或其它晶體，其熱膨脹系數(shù)是各向異向性。一般來說，彈性模量較高的方向?qū)⒂休^小的膨脹系數(shù)。第45頁/共105頁P(yáng)age

466.2材料的熱膨脹晶體缺陷晶體中總是含有(點(diǎn)、線、面)缺陷的，在室溫處于“凍結(jié)”狀態(tài)，會(huì)顯著的影響晶體的物理性能。

格爾茨利坎、提梅斯梅爾徳研究空位對固體熱膨脹的影響，得到二者的關(guān)系式Q是空位形成能，這里的空位是由輻照或高溫淬火產(chǎn)生；研究表明，輻照空位使晶體的膨脹系數(shù)增高，近似有關(guān)系式熱缺陷明顯影響是接近TM時(shí)，

可計(jì)算出空位引起熱膨脹系數(shù)的變化值。第46頁/共105頁P(yáng)age

476.2材料的熱膨脹五、多晶體和復(fù)合材料的熱膨脹1.鋼的熱膨脹特性

鋼的密度與熱處理所得到的顯微組織有關(guān)。馬氏體、鐵素體+Fe3C(珠光體、貝氏體)、奧氏體，密度依次增大，當(dāng)淬火得到馬氏體時(shí)，體積將增大，這是因?yàn)楸热菔敲芏鹊牡箶?shù)。回火時(shí)，鋼的體積將收縮。由于鋼在相變時(shí)，體積效應(yīng)比較明顯，故目前多采用膨脹法測定鋼的相變點(diǎn)。第47頁/共105頁P(yáng)age

486.2材料的熱膨脹多相材料若為機(jī)械混合物，則膨脹系數(shù)介于這些相膨脹系數(shù)之間。如兩相合金中，彈性模量比較接近時(shí)，有若其兩相彈性模量相差較大其中：為各相所占體積分?jǐn)?shù)，E1、E2為各相彈性模量。總的來說，膨脹系數(shù)對組織分布不敏感，主要由合金相的性質(zhì)和含量決定。2.多相及復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)第48頁/共105頁P(yáng)age

496.2材料的熱膨脹

陶瓷材料都是一些多晶體或幾種晶體加上玻璃相構(gòu)成的復(fù)合體，若各向同性晶體構(gòu)成多晶體，則膨脹系數(shù)與單晶相同，若為各向異性，則膨脹系數(shù)變化。對于復(fù)合材料，其所有組成都是各向同性，且分布均勻，但各組成膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比都有差別，溫度變化將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力因?yàn)閺?fù)合材料處于平衡，所以整體的內(nèi)應(yīng)力為零設(shè)第i相的密度為ρi可消去Vi因?yàn)樗缘?9頁/共105頁P(yáng)age

506.2材料的熱膨脹根據(jù)給出膨脹系數(shù)和第二相體積分?jǐn)?shù)繪出的曲線——稱科爾納曲線。分析陶瓷材料和復(fù)合材料應(yīng)注意兩點(diǎn):組成相中可能發(fā)生的相變，引起熱膨脹異常變化復(fù)合材料的微觀裂紋會(huì)引起膨脹系數(shù)滯后的現(xiàn)象，特別是對大晶粒樣品更應(yīng)注意。若為兩相復(fù)合材料，則膨脹系數(shù)具體形式為第50頁/共105頁熱膨脹的工程意義不同應(yīng)用對膨脹系數(shù)的要求不同。精密儀器零部件要求低膨脹系數(shù)的材料，熱敏元件的熱雙金屬要求高膨脹合金，集成電路要求膨脹系數(shù)彼此接近的材料（Al2O3vsNb)膨脹系數(shù)的大小是決定材料抗熱震性能的主要因素之一：熱膨脹系數(shù)較小的材料，受到熱沖擊時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，一般具有較強(qiáng)的抵抗熱沖擊破壞能力。熱膨脹的應(yīng)用產(chǎn)生合適壓應(yīng)力，提高脆性材料強(qiáng)度：釉的膨脹系數(shù)適當(dāng)?shù)匦∮谂鞯呐蛎浵禂?shù)組織轉(zhuǎn)變一般都伴隨明顯的體積效應(yīng)，膨脹分析可用于測定相變溫度和相變動(dòng)力學(xué)曲線（測定鋼的相變點(diǎn)）Page

516.3材料的熱膨脹六、熱膨脹的工程意義及應(yīng)用第51頁/共105頁1、千分表簡易測量方法:最簡單的機(jī)械式膨脹儀，利用千分表可直接測量。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單，成本低，又有一定的靈敏度。缺點(diǎn)：要求人工觀察記錄。Page

526.3材料的熱膨脹七、熱膨脹測試方法及其應(yīng)用千分表簡易膨脹儀第52頁/共105頁P(yáng)age

536.2材料的熱膨脹2、光學(xué)膨脹儀材料相變中常用光學(xué)膨脹儀，測量原理是利用光杠桿來放大試樣的膨脹量。按光杠桿支點(diǎn)位置的不同可分為普通光學(xué)膨脹儀和示差光學(xué)膨脹儀。普通光學(xué)膨脹儀由以下幾個(gè)部分組成：膨脹計(jì)頭、照相裝置、加熱裝置等。這種膨脹儀的優(yōu)點(diǎn)是可以從所得的脹縮曲線上，直接分析計(jì)算，并把被測試樣的膨脹性質(zhì)直接換算為溫度的函數(shù)。其工作原理如下圖第53頁/共105頁3、電測膨脹儀利用非電量的電測法，將試樣的長度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。分為電阻式膨脹儀、電容式膨脹儀和電感式膨脹儀。鐵芯差動(dòng)變壓器接至試樣電源Page

546.3材料的熱膨脹第54頁/共105頁4.膨脹法在材料研究中的應(yīng)用測定鋼的臨界點(diǎn)測定鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線）測定鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）研究快速升溫時(shí)金屬相變及合金時(shí)效動(dòng)力學(xué)研究晶體缺陷Page

556.3材料的熱膨脹加熱速度對馬氏體時(shí)效鋼膨脹曲線的影響金屬間化合物沉淀生成a相及g相a相→g相馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體第55頁/共105頁P(yáng)age

566.3材料的熱膨脹

八、膨脹合金1.低膨脹合金：主要應(yīng)用于儀器儀表工業(yè)中，如應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)量尺、精密天平、標(biāo)準(zhǔn)電容、標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)的諧振腔等。也用于和高膨脹合金匹配制成熱雙金屬的熱敏元件。第56頁/共105頁P(yáng)age

576.3材料的熱膨脹

廣泛使用的有因瓦(4J36)和超因瓦合金(4J32和4J5)。在要求抗腐蝕條件下，不銹因瓦(4J9)也有一定應(yīng)用。第57頁/共105頁P(yáng)age

586.3材料的熱膨脹

2.定膨脹合金：主要是在電真空技術(shù)中用來和玻璃、陶瓷等封接而構(gòu)成電真空器件的結(jié)構(gòu)材料，故定膨脹合金(即可伐合金)也稱封接合金。這類合金的主要特點(diǎn)是膨脹系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)基本不變。并和被封接材料匹配。定膨脹合金性能與用途第58頁/共105頁P(yáng)age

596.3材料的熱膨脹3.熱雙金屬：是由兩層膨脹系數(shù)不同的合金片沿層間接觸面焊合而成的復(fù)合材料。高膨脹系數(shù)的合金層稱為主動(dòng)層，低膨脹系數(shù)的合金層稱為被動(dòng)層。在加熱時(shí)，由于兩層的膨脹系數(shù)不同，主動(dòng)層伸長很多，于是雙金屬片就向被動(dòng)層彎曲，從而把熱能簡單地轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，產(chǎn)生一定的力或位移，因而可作為各種測量或控制儀表的傳感元件，大量應(yīng)用在工業(yè)和家用電器中。第59頁/共105頁P(yáng)age

606.4材料的導(dǎo)熱性一、熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律及微觀機(jī)制

一塊材料溫度不均勻或兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸，熱量便會(huì)自動(dòng)地從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)傳播，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。不同的應(yīng)用對材料的導(dǎo)熱性要求不同，低導(dǎo)熱性—加熱爐的爐襯材料、航天器的擋熱板；高導(dǎo)熱性—散熱器材料、電子信息材料。第60頁/共105頁P(yáng)age

616.4材料的導(dǎo)熱性1、傅立葉導(dǎo)熱定律（穩(wěn)定熱傳導(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)傳熱熱流密度(q)：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負(fù)號(hào)：熱能從高溫向低溫傳遞傅里葉導(dǎo)熱定律：熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)），其物理意義是指單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，所以它的單位為W/(m·K)或J/(m·s·K)。金屬合金非金屬液體絕熱材料大氣壓氣體第61頁/共105頁

通常熱傳導(dǎo)過程是不穩(wěn)定的傳熱過程，即傳熱過程中物體內(nèi)各處的溫度隨時(shí)間而變化，其溫度是時(shí)間t和位置x的函數(shù)，可導(dǎo)出：

r—密度，cp—恒壓比熱定義：

—熱擴(kuò)散率，即導(dǎo)溫系數(shù)物理意義：表征物體熱量傳輸能力的重要參數(shù)。相同加熱、冷卻的條件下，越大，物體各處溫差越小。

大，則溫度梯度小，試樣溫度比較均勻。

κ高，大。Page

626.4材料的導(dǎo)熱性2、熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）和熱阻第62頁/共105頁P(yáng)age

636.4材料的導(dǎo)熱性工程上選擇保溫材料和熱交換材料，除了考慮導(dǎo)熱系數(shù)κ和導(dǎo)溫系數(shù)外，還要考慮熱阻，其定義為

式中，ΔT為熱流量Φ通過的截面所具有的溫度差。單位為K/W，熱阻的倒數(shù)1/R為熱導(dǎo)，常用G表示。熱阻的物理意義：材料對熱傳導(dǎo)的阻隔能力。鍋爐、冷藏、石油液化、建筑結(jié)構(gòu)——隔熱

導(dǎo)熱——電子元件、葉片第63頁/共105頁P(yáng)age

646.4材料的導(dǎo)熱性3、導(dǎo)熱微觀機(jī)制

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)的格波）和自由電子的運(yùn)動(dòng)固體熱導(dǎo)率：聲子熱導(dǎo)率電子熱導(dǎo)率純金屬：以電子導(dǎo)熱為主非金屬和絕緣材料：以聲子導(dǎo)熱為主合金：電子和聲子共同起作用第64頁/共105頁P(yáng)age

656.4材料的導(dǎo)熱性二、金屬的熱傳導(dǎo)對于純金屬，導(dǎo)熱主要靠自由電子，而合金就要同時(shí)考慮聲子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)。理想氣體熱導(dǎo)率表達(dá)式：，式中：是分子平均運(yùn)動(dòng)速度，C是單位體積氣體熱容，l是分子運(yùn)動(dòng)平均自由程。設(shè)單位體積的自由電子數(shù)為n，則有第65頁/共105頁P(yáng)age

666.4材料的導(dǎo)熱性實(shí)際上：只有當(dāng)，金屬導(dǎo)熱主要由自由電子貢獻(xiàn)即，魏德曼—弗蘭茲定律才成立。1、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的關(guān)系在不太低的溫度下，金屬熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比正比于溫度，其中比例常數(shù)的值不依賴于具體金屬，此即魏德曼—弗蘭茲定律，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：為洛倫茲數(shù)。當(dāng)溫度高于QD時(shí)，對于電導(dǎo)率較高的金屬，公式一般都成立。但對于電導(dǎo)率低的金屬，在較低溫度下，L0是變數(shù)。第66頁/共105頁P(yáng)age

676.4材料的導(dǎo)熱性純金屬導(dǎo)熱性：高電導(dǎo)的金屬就有高的κ。

κ與溫度的關(guān)系：低溫時(shí)κ隨T升高而升高，到一定值時(shí)又急劇下降，并在熔點(diǎn)處達(dá)到最低值。晶粒大小的影響：一般晶粒粗大，κ高，晶粒愈細(xì)小，

κ愈低。立方晶系的κ與晶向無關(guān)，非立方晶系κ表現(xiàn)各向異性。所含雜質(zhì)強(qiáng)烈影響κ。2、熱導(dǎo)率及其影響因素合金導(dǎo)熱性：純金屬中摻入任何雜質(zhì)將破壞晶格的完整性，干擾自由電子的運(yùn)動(dòng)如常溫下：黃銅：70%Cu,30%Zn第67頁/共105頁P(yáng)age

686.4材料的導(dǎo)熱性三、無機(jī)非金屬材料的熱傳導(dǎo)1、無機(jī)非金屬材料熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理在絕大多數(shù)無機(jī)非金屬的材料中，由于它的電子是被束縛的，因此不能成為導(dǎo)熱的載體，不能用電子導(dǎo)熱機(jī)制來解釋無機(jī)非金屬中的導(dǎo)熱現(xiàn)象。

無機(jī)非金屬熱能的傳導(dǎo)是靠晶格振動(dòng)的格波來傳遞的。晶格振動(dòng)的格波和物質(zhì)的相互作用理解為聲子和物質(zhì)的碰撞。格波在晶體中傳播受到散射的過程，可以理解為聲子與聲子間以及聲子與晶界、點(diǎn)陣缺陷等的碰撞。無機(jī)非金屬材料材料導(dǎo)熱的主要機(jī)制是聲子導(dǎo)熱，而晶格波可以分為聲頻支和光頻支兩類。第68頁/共105頁聲子導(dǎo)熱：中低溫區(qū)主要導(dǎo)熱方式。可把格波的傳播看成是質(zhì)點(diǎn)-聲子的運(yùn)動(dòng)，則格波與物質(zhì)的相互作用可理解為聲子和物質(zhì)的碰撞，把格波在晶體中傳播時(shí)遇到的散射看作是聲子同晶體中質(zhì)點(diǎn)的碰撞，把理想晶體中熱阻歸結(jié)為聲子間碰撞引起的散射。如同理想氣體一樣，可以把熱傳導(dǎo)視為聲子—聲子碰撞的結(jié)果。Page

696.4材料的導(dǎo)熱性無機(jī)非金屬的熱傳導(dǎo)公式：式中，C＝聲子體積熱容，l＝聲子平均自由程，＝聲子平均速度。第69頁/共105頁其輻射能量與溫度的四次方成正比，例如，黑體單位容積的輻射能為。式中，為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，n為折射率，c為光速。Page

706.4材料的導(dǎo)熱性光子導(dǎo)熱：高溫區(qū)主要導(dǎo)熱方式。偶極矩周期變化發(fā)射電磁波

由于輻射傳熱中，容積熱容相當(dāng)于提高輻射溫度所需能量同時(shí)則：κr為輻射熱導(dǎo)率，描述介質(zhì)中這種輻射能的傳熱能力。輻射線光子的平均自由程第70頁/共105頁2、影響無機(jī)非金屬材料熱導(dǎo)率的因素溫度的影響無機(jī)非金屬主要依靠聲子和光子導(dǎo)熱低溫區(qū)以聲子導(dǎo)熱為主，，κ隨溫度的上升而先升后降，趨于穩(wěn)定值高溫段光子導(dǎo)熱增加，κ隨溫度緩慢升高。對于一般的非金屬晶體材料，在常用溫度范圍內(nèi)，κ隨溫度的上升而下降A(chǔ)l2O3單晶的κ隨溫度的變化C=kT3T↑,κ↓Page

716.4材料的導(dǎo)熱性第71頁/共105頁晶體顯微結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，晶格振動(dòng)的非線性程度越大，對聲子的散射越嚴(yán)重，平均自由程越小，κ越低。對于非等軸晶系的晶體，其熱導(dǎo)率存在各向異性，在膨脹系數(shù)低（結(jié)合力強(qiáng)）的方向κ大，隨溫度的升高，各向κ的差異減小。對于同一材料，多晶κ＜單晶κ，晶粒尺寸越大，熱導(dǎo)率越高。Page

726.4材料的導(dǎo)熱性第72頁/共105頁②從Fg段中溫到較高溫度(600～900K)，隨T升高，聲子熱容趨于一常數(shù)，故聲子導(dǎo)熱系數(shù)曲線出現(xiàn)一條近平行于橫坐標(biāo)的直線。若考慮到此時(shí)光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)，F(xiàn)g變成Fg’段。Page

736.4材料的導(dǎo)熱性非晶體的熱導(dǎo)率非晶體熱導(dǎo)率曲線如右圖所示：①在OF段中低溫(400～600K)以下，光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)可忽略。聲子導(dǎo)熱隨T變化由聲子熱容隨T變化規(guī)律決定。③gh段高溫以上(＞900K)，隨著T升高，聲子導(dǎo)熱變化不大，相當(dāng)于gh段。但考慮光子導(dǎo)熱貢獻(xiàn)，則為gh→g’h’。第73頁/共105頁P(yáng)age

746.4材料的導(dǎo)熱性晶體與非晶體熱導(dǎo)率曲線的差別：①非晶體的κ(不考慮光子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn))在所有溫度下都比晶體的小。②較高溫下，二者比較接近，因?yàn)槁曌訜崛菰诟邷叵露冀咏?R。③非晶體與晶體熱導(dǎo)率曲線的重大區(qū)別是前者沒有熱導(dǎo)率極大值點(diǎn)m。這也說明非晶體物質(zhì)的聲子平均自由程在所有溫度范圍內(nèi)均接近為一常數(shù)。晶體和非晶體材料的熱導(dǎo)率曲線κ第74頁/共105頁化學(xué)組成的影響組成元素的原子量越小，晶體密度越小，楊氏模量越大，QD越高，其κ越大。輕元素的固體或結(jié)合能大的固體κ較大。形成固溶體時(shí)晶格畸變，缺陷增多，散射增加，κ減小。溶質(zhì)元素的質(zhì)量、大小與溶劑元素相差愈大，對κ影響愈大。Co,Ni

對Fe的熱導(dǎo)率影響較小,Al,Si的影響較大。雜質(zhì)在低溫的影響比在高溫的影響更強(qiáng)烈?；w金屬的熱導(dǎo)率越高，合金元素對其導(dǎo)熱性能影響越大。Ni對Cu導(dǎo)熱性能的影響比對Fe的影響大。Page

756.4材料的導(dǎo)熱性第75頁/共105頁P(yáng)age

766.4材料的導(dǎo)熱性3、復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率對于分散相均勻地分散在連續(xù)相中的復(fù)相陶瓷材料，其熱導(dǎo)率可按下式計(jì)算式中：

κc，κd分別為連續(xù)相和分散相物質(zhì)的熱導(dǎo)率，jd為分散相的體積分?jǐn)?shù)。若分散相為氣相，氣孔率與氣孔尺寸均很小，分布較均勻，不考慮氣孔熱導(dǎo)率，低溫c/d>>1，則熱導(dǎo)率為式中：κs是固相的熱導(dǎo)率，j氣孔是氣孔的體積分?jǐn)?shù)。第76頁/共105頁P(yáng)age

776.4材料的導(dǎo)熱性Loeb考慮了氣孔的輻射傳熱，導(dǎo)出了更精確的計(jì)算公式：式中：P是氣孔面積分?jǐn)?shù)，PL是氣孔長度分?jǐn)?shù)，ε是輻射面的熱發(fā)射率；G是幾何因子：順向長條氣孔G=1，橫向圓柱形氣孔G=π/4，球形氣孔G=2/3；d是氣孔最大尺寸。氣孔率高的多孔輕質(zhì)材料κ比一般材料的低，用于隔熱耐火材料無論在高溫或低溫，小尺寸氣孔顯著降低熱輻射傳熱高溫時(shí)，大的氣孔不僅不降低熱傳遞，而且隨著溫度的增加，會(huì)增加有效κ

。粉末、纖維材料中氣孔為連續(xù)相，其κ比燒結(jié)狀態(tài)時(shí)(固體為連續(xù)相)低得多第77頁/共105頁P(yáng)age

786.4材料的導(dǎo)熱性無機(jī)非金屬材料的熱導(dǎo)率計(jì)算實(shí)例A1203，BeO和MgO等的κ隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式

通常低溫時(shí)有較高κ的材料，隨著T升高，κ降低。如A12O3，BeO和MgO等，其熱導(dǎo)率經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：T是熱力學(xué)溫度(K)；A是常數(shù)。

例如：=16.2，=18.8，=55.4。上式適用的溫度范圍，Al2O3和MgO是293～2073K，BeO是1273～2073K。第78頁/共105頁P(yáng)age

796.4材料的導(dǎo)熱性玻璃體的κ隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式玻璃體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而緩慢增大。高于773K，由于輻射傳熱的效應(yīng)使熱導(dǎo)率有較快的上升，其經(jīng)驗(yàn)方程式如下:式中：

T是熱力學(xué)溫度(K)，C和d為常數(shù)。某些建筑材料、粘土質(zhì)耐火磚以及保溫磚等的κ隨溫度升高線性增大，其經(jīng)驗(yàn)公式

κ0是0oC時(shí)材料的熱導(dǎo)率，b是與材料有關(guān)的常數(shù)，t是溫度(oC)。

第79頁/共105頁四、熱導(dǎo)率的測量1、穩(wěn)態(tài)測試在穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)下，試樣上各點(diǎn)溫度穩(wěn)定不變，溫度梯度和熱流密度也穩(wěn)定不變，根據(jù)所測得的溫度梯度和熱流密度，就可按傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算材料的熱導(dǎo)率。關(guān)鍵：控制和測量熱流密度，使旁向熱流減至最小。為保證溫度梯度測量的精確度，要求在有效的距離內(nèi)有較大的溫差。Page

806.4材料的導(dǎo)熱性第80頁/共105頁2、動(dòng)態(tài)(非穩(wěn)態(tài))測試根據(jù)試樣溫度隨時(shí)間的變化情況來測量材料的熱傳導(dǎo)性能。在已知材料比熱容后，可以算出熱導(dǎo)率。這種測試方法主要有閃光法，這種方法所使用的設(shè)備——激光熱導(dǎo)儀。特點(diǎn)：測量速度快，熱損失小，適合測量高溫下傳熱情況需要測量材料的比熱容。Page

816.4材料的導(dǎo)熱性激光熱導(dǎo)儀結(jié)構(gòu)示意圖第81頁/共105頁五、熱導(dǎo)率的應(yīng)用熱導(dǎo)率是工程上選擇保溫或熱交換材料時(shí)所依據(jù)的主要參數(shù)之一是金屬材料熱處理計(jì)算保溫時(shí)間的一個(gè)重要參數(shù)，并對鋼件淬火產(chǎn)生的熱應(yīng)力有很大的影響在核反應(yīng)堆中，燃料元件的最高反應(yīng)溫度直接與這些元件的熱導(dǎo)率有關(guān)，顯著影響反應(yīng)的效率。隔熱耐火材料要求低熱導(dǎo)率電子信息材料要求高熱導(dǎo)率Page

826.4材料的導(dǎo)熱性第82頁/共105頁P(yáng)age

836.5材料的熱電性一、熱電效應(yīng)1、塞貝克效應(yīng)

當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體在兩個(gè)接觸點(diǎn)存在溫差時(shí)，如果是閉合回路的話就會(huì)產(chǎn)生電流，而如果是斷路的話就會(huì)產(chǎn)生電勢差，此即為塞貝克效應(yīng)。SAB稱為A、B間的相對塞貝克系數(shù)，是有方向性的。ΔT>0第83頁/共105頁P(yáng)age

846.5材料的熱電性2、珀耳帖效應(yīng)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體所形成的閉合回路通以電流的時(shí)候，會(huì)在兩個(gè)接觸點(diǎn)產(chǎn)生一端吸熱，另一端放熱的現(xiàn)象。當(dāng)電流方向反向時(shí)，則吸、放熱接頭改變，這種效應(yīng)稱為珀耳帖效應(yīng)，它滿足下式式中，qAB為接觸點(diǎn)吸收珀耳帖熱量的速度，ΠAB為導(dǎo)體A、B間相對珀耳帖系數(shù)，I為通過的電流強(qiáng)度。第84頁/共105頁P(yáng)age

856.5材料的熱電性exothermic3、湯姆遜效應(yīng)

當(dāng)一根均勻?qū)w或半導(dǎo)體在兩端存在溫差以及有電流通過時(shí)，會(huì)在此導(dǎo)體或半導(dǎo)體上產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象，電流方向與導(dǎo)線中的熱流方向一致時(shí)產(chǎn)生放熱效應(yīng)，反之產(chǎn)生吸熱效應(yīng)，此即為湯姆遜效應(yīng)。若其產(chǎn)生的熱吸收率qA，則有式中，qA為導(dǎo)體A的湯姆遜系數(shù)，j為電流密度。第85頁/共105頁P(yáng)age

866.5材料的熱電性二、絕對熱電勢系數(shù)一對熱電偶的相對塞貝克系數(shù)可由組成熱電偶的每支導(dǎo)體的絕對塞貝克系數(shù)算出，而事實(shí)上，絕對塞貝克系數(shù)一般名稱就是絕對熱電勢系數(shù)，也稱絕對熱電勢率，簡稱熱電勢系數(shù)，用S表示。溫差熱電勢系數(shù)產(chǎn)生示意圖++++++++++熱冷熱電子流第86頁/共105頁用量子力學(xué)方法處理金屬熱電性的一般問題，可得到S的一般表達(dá)式：對于正常金屬和合金，在德拜溫度以上，上式是有效的。對于單價(jià)貴金屬，其熱電勢系數(shù)S表達(dá)式為對于過渡族金屬，由于能帶中s和d帶重合，則S為Page

876.5材料的熱電性熱電勢系數(shù)隨溫度變化具有良好的線性第87頁/共105頁P(yáng)age

886.5材料的熱電性三、熱電性的應(yīng)用及熱電材料熱電性的應(yīng)用分為以下幾個(gè)方面：通過熱電性測試，分析金屬材料組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，例如——馬氏體回火；利用塞貝克效應(yīng)用于熱電偶測量；利用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電；利用珀耳帖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電致冷。第88頁/共105頁P(yáng)age

896.5材料的熱電性測溫用熱電極材料熱電極要求具有以下三種熱電性質(zhì):它們的熱電勢與溫度關(guān)系具有良好的線性關(guān)系；熱電系數(shù)S要盡量大；材料性質(zhì)具有復(fù)制性和溫度—熱電勢關(guān)系穩(wěn)定性。正是熱穩(wěn)定性的要求，因此這些合金電極材料大都是置換固溶體。熱電偶回路定律一：如果兩支均勻的同質(zhì)電極構(gòu)成一熱電回路，則回路熱電勢為0。熱電偶回路定律二：如果均勻?qū)w兩端沒有溫度差存在時(shí)，盡管在導(dǎo)體上存在溫度梯度，其通過導(dǎo)體的凈熱電勢仍為0。由此可以推論，只要結(jié)點(diǎn)處不存在溫度差，則串聯(lián)多個(gè)這樣導(dǎo)體，并不影響熱電勢的刻度結(jié)果，該定律稱中間導(dǎo)體定律。第89頁/共105頁P(yáng)age

906.5材料的熱電性則塞貝克公式可改寫為：上式所表述的定律稱為連續(xù)溫度定律：均勻?qū)w組成熱電偶測溫的熱電勢可以是同一熱電偶各溫度間隔所測熱電勢之和。鉑基熱電偶材料特點(diǎn):純Pt具有高的熔點(diǎn)，抗氧化性強(qiáng)，比其他熱電偶穩(wěn)定，廣泛用做參考電極。注意鉑基熱電偶不能使用的環(huán)境：1、中子輻射環(huán)境；2、真空或還原氣氛下；3、含有P、S、As或Zn、Cd、Hg、Pb的氣氛第90頁/共105頁應(yīng)用場合不同，對材料熱穩(wěn)定性的要求不同。熱沖擊損壞的兩種類型：1）材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂（抗熱沖擊斷裂性）；2）在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)（抗熱沖擊損傷性）。熱穩(wěn)定性的理論解釋尚不完善，數(shù)學(xué)模型建立困難，對材料熱穩(wěn)定性的評定一般采用直觀的測定方法。Page

916.6材料的熱穩(wěn)定性一、熱穩(wěn)定性的表征熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力，又稱為抗熱震性。第91頁/共105頁熱應(yīng)力的來源：1、熱脹冷縮受到限制產(chǎn)生的熱應(yīng)力當(dāng)桿件的溫度從T0升到T′后，產(chǎn)生的熱應(yīng)力σ可由下式計(jì)算式中：E＝彈性模量，α＝熱膨脹系數(shù)。若上述情況是發(fā)生在冷卻過程中，即T0>T′，則材料中熱應(yīng)力為張應(yīng)力（正值），這種應(yīng)力會(huì)使桿件斷裂。Page

926.6材料的熱穩(wěn)定性二、熱應(yīng)力僅由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力，它會(huì)導(dǎo)致材料的斷裂破壞、不希望的塑性變形。第92頁/共105頁P(yáng)age

936.6材料的熱穩(wěn)定性2、溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力物體迅速加熱時(shí)，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相鄰的內(nèi)部材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力，而相鄰內(nèi)部材料受拉