材料科学与技术讲义材料的热性质与光性质

1、第三节第三节 材料的热性能材料的热性能一、材料的热容一、材料的热容1、经典热容理论、经典热容理论2、爱因斯坦热容模型、爱因斯坦热容模型 3、德拜热容模型、德拜热容模型二、材料的热膨胀二、材料的热膨胀二、材料的热膨胀二、材料的热膨胀1、热膨胀系数、热膨胀系数所有材料都有热胀冷缩性所有材料都有热胀冷缩性平均线热膨胀系数：平均线热膨胀系数：)(121121TTlllTlll热膨胀系数热膨胀系数:1l:2l温度温度 T1 时的试样长度；时的试样长度；温度温度 T2 时的试样长度时的试样长度平均体热膨胀系数：平均体热膨胀系数：)(121121TTVVVTVVV:1V:2V温度温度 T1 时的试样体积；时

2、的试样体积；温度温度 T2 时的试样体积时的试样体积热膨胀系数一般是温度的函数热膨胀系数一般是温度的函数线热膨胀系数线热膨胀系数和和体热膨胀系数体热膨胀系数2、热膨胀的起因、热膨胀的起因温度温度 T 时的线时的线热膨胀系数：热膨胀系数：温度温度 T 时的体时的体热膨胀系数：热膨胀系数：热膨胀系数是工程上重要的物理参数之一：热膨胀系数是工程上重要的物理参数之一：ldTdlVdTdV许多材料的线热膨胀系数是各相异性许多材料的线热膨胀系数是各相异性各向同性材料（立方系）：各向同性材料（立方系）：3材料间的封接，真空系统中要求材料的热膨胀系数材料间的封接，真空系统中要求材料的热膨胀系数相近、否则易漏气

3、；多晶、多相的复杂结构的材料相近、否则易漏气；多晶、多相的复杂结构的材料中，各相、各方向膨胀系数的不同会引起热应力中，各相、各方向膨胀系数的不同会引起热应力热膨胀的本质：热膨胀的本质：原子平均距离随温度的增大原子平均距离随温度的增大adaVdVaV33起因于：起因于：原子间作用力随距离原子间作用力随距离非线性变化、原子的非线性变化、原子的振动是非简谐振动振动是非简谐振动0r距离距离 r力力)(rF引力引力斥力斥力合合力力平衡位置平衡位置 (合力为零合力为零)的的两侧合力曲线的斜率不等两侧合力曲线的斜率不等0r0rr)(rU0原子相互作用势能曲线原子相互作用势能曲线势能曲线关于势能曲线关于 处的

4、虚线不对称处的虚线不对称0r原子间作用力原子间作用力:0rr :0rr 作用力和势能曲线的斜率较大；作用力和势能曲线的斜率较大；作用力和势能曲线的斜率较小；作用力和势能曲线的斜率较小；03、影响热膨胀因素、影响热膨胀因素0rr)(rU0原子振动时的平均距离原子振动时的平均距离：0rr 温度越高、振幅越大，原子在平温度越高、振幅越大，原子在平衡位置两侧受力的不对称越显著，衡位置两侧受力的不对称越显著，新平衡位置右移越多、新平衡位置右移越多、 越大，越大，晶体膨胀越大。晶体膨胀越大。r温度温度 T、平均位置平均位置原子振原子振动能量动能量原子平均间距原子平均间距随温度的变化：随温度的变化：1T2T

5、3T4T热膨胀与结构有关：热膨胀与结构有关：:gTT 非晶材料属液相结构，材料的热膨胀除起因非晶材料属液相结构，材料的热膨胀除起因于原子间距的增大外、还与材料中的自由体于原子间距的增大外、还与材料中的自由体积（积（未被原子占据的空穴未被原子占据的空穴）的膨胀有关）的膨胀有关热膨胀与原子结合键有关：热膨胀与原子结合键有关： 结合键强、热膨胀小结合键强、热膨胀小离子键、共价键结合的材料：离子键、共价键结合的材料：热膨胀小；热膨胀小；以共价键和以共价键和范德瓦尔斯结合的聚合物范德瓦尔斯结合的聚合物：热膨胀系数最大：热膨胀系数最大金属键：金属键：具有中等的热膨胀系数；具有中等的热膨胀系数； 材料材料陶

6、瓷陶瓷金属金属聚合物聚合物)(1Co610155 . 061025561030050三、材料的导热性三、材料的导热性1、傅里叶导热定律、傅里叶导热定律1T2Tx材料温度不均匀时，或两温度不同的物体相材料温度不均匀时，或两温度不同的物体相接触时，热量自动从高温区向低温区传递接触时，热量自动从高温区向低温区传递热传导：热传导：均匀金属棒的两端分均匀金属棒的两端分别与两恒温热源接触别与两恒温热源接触热平衡时各处的温热平衡时各处的温度不随时间变化度不随时间变化稳态稳态热流密度：热流密度：单位时间内通过与热传导方向垂直的单位时间内通过与热传导方向垂直的单位面积的热能单位面积的热能通过金属棒的热流密度：通

7、过金属棒的热流密度：dxdTq负号：负号：热能从高热能从高温向低温传递温向低温传递dxdTq:热导率，热导率，)/(skmJ单位单位：or)/(kmW热导率反映材料的导热能力、不同材料的导热能力差异很大热导率反映材料的导热能力、不同材料的导热能力差异很大绝缘材料：绝缘材料：金属：金属：合金：合金：非金属：非金属：)/(41550kmW120127 . 017. 017. 003. 02、热传导机理（微观机制）、热传导机理（微观机制）固体的组成质点只能在平衡位置附近作微小固体的组成质点只能在平衡位置附近作微小振动，不能像气体依靠分子碰撞传递热量振动，不能像气体依靠分子碰撞传递热量固体导热机制：固

8、体导热机制：声子（晶格振动的晶格波）和自由电子声子（晶格振动的晶格波）和自由电子固体热导率：固体热导率：eph:ph:e声子热导率声子热导率电子热导率电子热导率eph非金属材料：非金属材料：以声子导热为主以声子导热为主纯金属：纯金属：phe以电子导热为主以电子导热为主合金：合金： 电子和声子共同起作用电子和声子共同起作用a、金属的热导率、金属的热导率金属主要金属主要热载流子热载流子 自由电子自由电子 （电载流子电载流子）热导率和电导率间的联系：热导率和电导率间的联系：不太低的温度下不太低的温度下TLe0/（Wiedemann Franz 首先发现）首先发现）金属热导率与电导率之比正比于温度金属

9、热导率与电导率之比正比于温度:0L洛仑兹系数洛仑兹系数 (Lorentz number)理论值：理论值：)/(1045. 22280kVLb、合金的热导率、合金的热导率如同合金的电导率比纯金属的电导率，如同合金的电导率比纯金属的电导率，合金合金金属金属原因：原因：合金中的自由电子受合金晶格、合金中的自由电子受合金晶格、杂质、非均匀相的散射强烈杂质、非均匀相的散射强烈Znwt0010203040)./(KmW1002003000400组成，组成，热导率热导率Cu Zn 合金热导率合金热导率随随Zn 含量的变化含量的变化Zn 含量增加、热导率下降含量增加、热导率下降c、非金属、非金属 （ 陶瓷）、

10、聚合物的热导率陶瓷）、聚合物的热导率传递热量的热载流子主要是声子传递热量的热载流子主要是声子陶瓷的组成和结构远比金属复杂：陶瓷的组成和结构远比金属复杂：除晶相、还包括玻除晶相、还包括玻璃相及一定的空隙璃相及一定的空隙声子在传播时受原子构成高度声子在传播时受原子构成高度无序的不均匀相的强烈地散射无序的不均匀相的强烈地散射热的不良导体、热热的不良导体、热导率远小于金属导率远小于金属陶瓷中的空隙对热导率影响最大，陶瓷中的空隙对热导率影响最大，空隙率高、导热率低空隙率高、导热率低多孔陶瓷、多孔聚合物多孔陶瓷、多孔聚合物绝热材料绝热材料四、材料的热应力四、材料的热应力材料热胀或冷缩引起的内应力材料热胀或

11、冷缩引起的内应力热应力：热应力：引起材料塑性变形、特性变化、甚至断裂引起材料塑性变形、特性变化、甚至断裂热应力主要来源下列三个方面：热应力主要来源下列三个方面：1、热胀冷缩受到限制产生的热应力、热胀冷缩受到限制产生的热应力均质、各向同性的棒，受到均匀加均质、各向同性的棒，受到均匀加热或冷却、棒内不存在温度梯度热或冷却、棒内不存在温度梯度若棒两端未被夹持：若棒两端未被夹持：棒能自由膨胀或收缩、内部无热应力棒能自由膨胀或收缩、内部无热应力若棒两端被刚性固定：若棒两端被刚性固定：温度：温度：fTT 0热应力：热应力：:E0/llTl弹性模量弹性模量；应变应变、线性相对变化量、线性相对变化量:0TTf

12、:0TTfTETTElfl)(000加热时加热时棒受压缩应力作用；棒受压缩应力作用；冷却时冷却时棒受拉伸应力作用棒受拉伸应力作用2、温度梯度产生的热应力、温度梯度产生的热应力材料受热或冷却时，内部温度分布与其形材料受热或冷却时，内部温度分布与其形状、大小及热导率，和温度变化率有关状、大小及热导率，和温度变化率有关 3、多相复合材料中各相膨胀系数不同引起的热应力、多相复合材料中各相膨胀系数不同引起的热应力材料中若有温度梯度，引起热应力材料中若有温度梯度，引起热应力例：材料被从外部迅速加热或冷却：例：材料被从外部迅速加热或冷却：加热：加热：表面比内部温度高、表面膨胀比内部大，相邻的表面比内部温度高

13、、表面膨胀比内部大，相邻的内部限制表面的自由膨胀，内部限制表面的自由膨胀，表面受到压应力、表面受到压应力、相邻内部受到拉应力相邻内部受到拉应力冷却：冷却：表面受拉应力、相邻内部受压应力表面受拉应力、相邻内部受压应力与情况与情况2类似类似不是机械力的约束、而是各相不是机械力的约束、而是各相间膨胀、收缩的相互制约引起间膨胀、收缩的相互制约引起第四节第四节 材料的光学性质材料的光学性质光在高科技的地位不断提高，电子器件和光光在高科技的地位不断提高，电子器件和光子器件融合、光集成器件是重要的研究方向子器件融合、光集成器件是重要的研究方向一、光的属性、光与物质的作用一、光的属性、光与物质的作用1、光的属

14、性回顾、光的属性回顾光的波动性与粒子性光的波动性与粒子性有些情况波动性占主导地位；有些情况波动性占主导地位；有些情况粒子性占主导地位有些情况粒子性占主导地位波动性与粒子性的联系方程：波动性与粒子性的联系方程：/hChE光子能量光子能量通常意义的光通常意义的光 可见光：可见光：m7 . 04 . 0:电磁破电磁破光（电磁）波光（电磁）波 横波，两个振动矢量横波，两个振动矢量：电场强度电场强度HE传播方向传播方向磁场强度磁场强度EH电磁波在真空中传播速度：电磁波在真空中传播速度：00/1C电磁波在介质中传播速度：电磁波在介质中传播速度：rrC/1v:,rr介质的相对介电常数和相对磁导率介质的相对介

15、电常数和相对磁导率2、光与物质的作用、光与物质的作用从一种介质（空气）入射另从一种介质（空气）入射另一种介质的光成为四部分一种介质的光成为四部分：反射、透射、散反射、透射、散射、吸收部分射、吸收部分ATRIIIII0ATRIIIII0:0I:RI:TI:I:AI入射光束强度，入射光束强度，反射强度，反射强度，透射强度，透射强度，散射强度，散射强度，吸收强度吸收强度1/0000IIIIIIIIATR1ATR反射率、透射率、散射率、吸收率反射率、透射率、散射率、吸收率金属对可见光不透明金属对可见光不透明入射光入射光反射反射吸收吸收b、电子能态转变、电子能态转变光与物质间作用的实质光与物质间作用的实

16、质光子与物质中的原子、离光子与物质中的原子、离子、电子间的相互作用子、电子间的相互作用两种主要作用：两种主要作用：电子极化电子极化和和电子能态变化电子能态变化a、电子极化、电子极化光波中电场分量对物质的作用远大于磁场分量的作用光波中电场分量对物质的作用远大于磁场分量的作用光波的交变电场引起的电子位移极化光波的交变电场引起的电子位移极化电子极化电子极化:电子极化吸收部分光能、引起光速减小、导致光的折射电子极化吸收部分光能、引起光速减小、导致光的折射光子的吸收或散射一般涉及电子能态的转变光子的吸收或散射一般涉及电子能态的转变光子因被吸收或被散射而消失或改变方向和能量；光子因被吸收或被散射而消失或改

17、变方向和能量；电子因吸收光子的能量而被激发到高能态电子因吸收光子的能量而被激发到高能态孤立原子吸收光子的情况：孤立原子吸收光子的情况：1E5E4E3E2E频率为频率为 的的入射光子入射光子42能能量量E2 能级上的电子能级上的电子只有吸收能量为只有吸收能量为4224hEEE的光子，才能的光子，才能到达到达 E4 能级能级 孤立原子能级是分立能级，电子孤立原子能级是分立能级，电子对吸收光子的能量有严格的要求对吸收光子的能量有严格的要求jiijEEh,iE:jE电子能级电子能级晶体吸收光子的情况：晶体吸收光子的情况：晶体中、原来孤立原晶体中、原来孤立原子的分立能级被准连子的分立能级被准连续的能带所

18、取代续的能带所取代iEjEij孤立原子孤立原子晶体晶体jiijEEh易于实现易于实现跃迁条件跃迁条件跃迁辐射：跃迁辐射：激发的逆过程激发的逆过程电子在激发态停留时间很短，由激发态回到基态、电子在激发态停留时间很短，由激发态回到基态、产生电磁辐射，过程可是直接、也可是间接产生电磁辐射，过程可是直接、也可是间接二、金属的光学特性二、金属的光学特性E入射入射光子光子能量能量费费米米能能级级满满态态空态空态金属的光学性质与金属的能带密切有关金属的光学性质与金属的能带密切有关费米能级以上为准连续的空能级；费米能级以上为准连续的空能级；以下为充满电子的准连续的能级以下为充满电子的准连续的能级（绝对零度下）（绝对零度下）除高频电磁辐射除高频电磁辐射 射线、射线、 射射线外，线外，几乎所有的低频辐射光子几乎所有的低频辐射光子（无线电波（无线电波 紫外），都能被紫外），都能被吸收吸收 X金属对可见光不透明：金属对可见光不透明：入射光入射光反射反射吸收吸收任意光子任意光子 总能找到一个总能找到一个空能级空能级 E、满足跃迁条件：、满足跃迁条件：hEEh:EfE以下的占有电子能级以下的占有电子能级金属不透明，金属不透明， 厚的金厚的金箔几乎可吸收全部入射