材料科學與技術(shù)材料的熱性質(zhì)與光性質(zhì)

第三節(jié)材料的熱性能一、材料的熱容1、經(jīng)典熱容理論2、愛因斯坦熱容模型3、德拜熱容模型二、材料的熱膨脹第1頁，共21頁。二、材料的熱膨脹1、熱膨脹系數(shù)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時的試樣長度；溫度T2時的試樣長度平均體熱膨脹系數(shù)：溫度T1時的試樣體積；溫度T2時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)第2頁，共21頁。2、熱膨脹的起因溫度T時的線熱膨脹系數(shù)：溫度T時的體熱膨脹系數(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、多相的復雜結(jié)構(gòu)的材料中，各相、各方向膨脹系數(shù)的不同會引起熱應力熱膨脹的本質(zhì)：原子平均距離隨溫度的增大第3頁，共21頁。起因于：原子間作用力隨距離非線性變化、原子的振動是非簡諧振動距離力引力斥力合力平衡位置(合力為零)的兩側(cè)合力曲線的斜率不等0原子相互作用勢能曲線勢能曲線關(guān)于處的虛線不對稱原子間作用力作用力和勢能曲線的斜率較大；作用力和勢能曲線的斜率較小；0第4頁，共21頁。3、影響熱膨脹因素0原子振動時的平均距離：溫度越高、振幅越大，原子在平衡位置兩側(cè)受力的不對稱越顯著，新平衡位置右移越多、越大，晶體膨脹越大。溫度T、平均位置原子振動能量原子平均間距隨溫度的變化：熱膨脹與結(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)的空穴）的膨脹有關(guān)第5頁，共21頁。熱膨脹與原子結(jié)合鍵有關(guān)：結(jié)合鍵強、熱膨脹小離子鍵、共價鍵結(jié)合的材料：熱膨脹小；以共價鍵和范德瓦爾斯結(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第6頁，共21頁。三、材料的導熱性1、傅里葉導熱定律材料溫度不均勻時，或兩溫度不同的物體相接觸時，熱量自動從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞熱傳導：均勻金屬棒的兩端分別與兩恒溫熱源接觸熱平衡時各處的溫度不隨時間變化穩(wěn)態(tài)熱流密度：單位時間內(nèi)通過與熱傳導方向垂直的單位面積的熱能通過金屬棒的熱流密度：負號：熱能從高溫向低溫傳遞第7頁，共21頁。熱導率，單位：熱導率反映材料的導熱能力、不同材料的導熱能力差異很大絕緣材料：金屬：合金：非金屬：2、熱傳導機理（微觀機制）固體的組成質(zhì)點只能在平衡位置附近作微小振動，不能像氣體依靠分子碰撞傳遞熱量固體導熱機制：聲子（晶格振動的晶格波）和自由電子固體熱導率：聲子熱導率電子熱導率第8頁，共21頁。非金屬材料：以聲子導熱為主純金屬：以電子導熱為主合金：電子和聲子共同起作用a、金屬的熱導率金屬主要熱載流子—自由電子（電載流子）熱導率和電導率間的聯(lián)系：不太低的溫度下（Wiedemann–Franz首先發(fā)現(xiàn)）金屬熱導率與電導率之比正比于溫度洛侖茲系數(shù)(Lorentznumber)理論值：第9頁，共21頁。b、合金的熱導率如同合金的電導率比純金屬的電導率，合金金屬原因：合金中的自由電子受合金晶格、雜質(zhì)、非均勻相的散射強烈10203040組成，熱導率Cu–Zn合金熱導率隨Zn含量的變化Zn含量增加、熱導率下降c、非金屬（陶瓷）、聚合物的熱導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)遠比金屬復雜：除晶相、還包括玻璃相及一定的空隙第10頁，共21頁。聲子在傳播時受原子構(gòu)成高度無序的不均勻相的強烈地散射熱的不良導體、熱導率遠小于金屬陶瓷中的空隙對熱導率影響最大，空隙率高、導熱率低多孔陶瓷、多孔聚合物絕熱材料四、材料的熱應力材料熱脹或冷縮引起的內(nèi)應力熱應力：引起材料塑性變形、特性變化、甚至斷裂熱應力主要來源下列三個方面：1、熱脹冷縮受到限制產(chǎn)生的熱應力均質(zhì)、各向同性的棒，受到均勻加熱或冷卻、棒內(nèi)不存在溫度梯度第11頁，共21頁。若棒兩端未被夾持：棒能自由膨脹或收縮、內(nèi)部無熱應力若棒兩端被剛性固定：溫度：熱應力：彈性模量；應變、線性相對變化量加熱時棒受壓縮應力作用；冷卻時棒受拉伸應力作用2、溫度梯度產(chǎn)生的熱應力材料受熱或冷卻時，內(nèi)部溫度分布與其形狀、大小及熱導率，和溫度變化率有關(guān)第12頁，共21頁。3、多相復合材料中各相膨脹系數(shù)不同引起的熱應力材料中若有溫度梯度，引起熱應力例：材料被從外部迅速加熱或冷卻：加熱：表面比內(nèi)部溫度高、表面膨脹比內(nèi)部大，相鄰的內(nèi)部限制表面的自由膨脹，表面受到壓應力、相鄰內(nèi)部受到拉應力冷卻：表面受拉應力、相鄰內(nèi)部受壓應力與情況2類似不是機械力的約束、而是各相間膨脹、收縮的相互制約引起第13頁，共21頁。第四節(jié)材料的光學性質(zhì)光在高科技的地位不斷提高，電子器件和光子器件融合、光集成器件是重要的研究方向一、光的屬性、光與物質(zhì)的作用1、光的屬性回顧光的波動性與粒子性有些情況波動性占主導地位；有些情況粒子性占主導地位波動性與粒子性的聯(lián)系方程：光子能量通常意義的光—可見光：電磁破第14頁，共21頁。光（電磁）波—橫波，兩個振動矢量：電場強度傳播方向磁場強度電磁波在真空中傳播速度：電磁波在介質(zhì)中傳播速度：介質(zhì)的相對介電常數(shù)和相對磁導率2、光與物質(zhì)的作用從一種介質(zhì)（空氣）入射另一種介質(zhì)的光成為四部分：反射、透射、散射、吸收部分第15頁，共21頁。入射光束強度，反射強度，透射強度，散射強度，吸收強度反射率、透射率、散射率、吸收率金屬對可見光不透明入射光反射吸收第16頁，共21頁。b、電子能態(tài)轉(zhuǎn)變光與物質(zhì)間作用的實質(zhì)光子與物質(zhì)中的原子、離子、電子間的相互作用兩種主要作用：電子極化和電子能態(tài)變化a、電子極化光波中電場分量對物質(zhì)的作用遠大于磁場分量的作用光波的交變電場引起的電子位移極化電子極化:電子極化吸收部分光能、引起光速減小、導致光的折射光子的吸收或散射一般涉及電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變光子因被吸收或被散射而消失或改變方向和能量；電子因吸收光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)第17頁，共21頁。孤立原子吸收光子的情況：頻率為的入射光子能量E2能級上的電子只有吸收能量為的光子，才能到達E4能級孤立原子能級是分立能級，電子對吸收光子的能量有嚴格的要求電子能級晶體吸收光子的情況：晶體中、原來孤立原子的分立能級被準連續(xù)的能帶所取代孤立原子晶體第18頁，共21頁。易于實現(xiàn)躍遷條件躍遷輻射：激發(fā)的逆過程電子在激發(fā)態(tài)停留時間很短，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)、產(chǎn)生電磁輻射，過程可是直接、也可是間接二、金屬的光學特性入射光子能量費米能級滿態(tài)空態(tài)金屬的光學性質(zhì)與金屬的能帶密切有關(guān)費米能級以上為準連續(xù)的空能級；以下為充滿電子的準連續(xù)的能級（絕對零度下）除高頻電磁輻射—射線、射線外，幾乎所有的低頻輻射光子（無線電波—紫外），都能被吸收

金屬對可見光不透明：入射光反射吸收第19頁，共21頁。任意光子總能找到一個空能級E、滿足躍遷條件：以下的占有電子能級金屬不透明，厚的金箔幾乎可吸收全部入射光子滿態(tài)