多媒体教案-材料物理性能学-04-材料的热性能-2016-au

多媒体教案-材料(cáiliào)物理性能学-04-材料(cáiliào)的热性能-2016-au..第一页，共89页。第四章 材料(cáiliào)的热性能4.1热力学概念(gàiniàn)简介4.2材料的热容*4.3材料的热膨胀*4.4材料的导热性*4.5材料的热稳定性4.6材料的热电性*4.7材料热导率的测量方法第二页，共89页。本章(běnzhānɡ)参考书?相变和临界现象?于渌郝柏林(bǎilín)陈晓松著 2005年7月，科学出版社材料的热学性能是宏观物质的体效应，能够反映材料内部的结构特性，热容、热导率、热膨胀和热应力都是材料工程应用中不可忽略的方面，值得人们(rénmen)进行深入探索研究。第三页，共89页。‘热’使得我们现实世界中物质得以(déyǐ)展现出其多样性的一面。我们无时无刻不在面对着‘热’水的三态；航天器穿越地球大气层〔耐高温和高热导率〕；超导和超流现象；热胀冷缩效应在我们现实生活中的重要性；电子器件多数都有一定的工作温度范围。第四页，共89页。4.1热力学概念(gàiniàn)简介热容相变〔宏观(hóngguān)固态物质〕自由度热力学温标熵玻尔兹曼分布……第五页，共89页。自由度是物体运动方程中可以写成的独立坐标数。系统中常常存在着各种约束，使得这3N〔N个原子3D空间〕个坐标并不都是独立的。比方，实空间N个原子理想气体分子(fēnzǐ)体系，自由度为3N；而运动于平面的一个质点或者说单原子，其自由度为2。

第六页，共89页。第七页，共89页。自由度(degreeoffreedom)分子平均平动(píngdòng)动能单原子分子平均能量第八页，共89页。自由度这个概念，更主要是应用于早期材料的热学特性(tèxìng)理论模型。第九页，共89页。4.2固体材料(cáiliào)的热容〔1〕理论模型(móxíng)的开展〔2〕从材料热容奉献者角度分类第十页，共89页。〔1〕理论模型(móxíng)的开展经典热容理论——Dulong-Petit定律(dìnglǜ)爱因斯坦的量子热容理论德拜量子热容理论对德拜理论的完善和开展第十一页，共89页。Dulong-Petit定律(dìnglǜ)早在19世纪，Dulong-Petit把气体分子的热容理论直接用于固体，并用经典统计力学处理晶体热容假设(jiǎshè)晶体有N个原子，那么总的平均能量为3NkT，摩尔热容为：CmV。(能量按自由度均分)第十二页，共89页。实验发现，它只适用于局部(júbù)金属和有限温度范围。按照Dulong-Petit定律(dìnglǜ)：晶体的摩尔热容是一个随温度固定不变的常数第十三页，共89页。第十四页，共89页。爱因斯坦热容(rèrónɡ)模型爱因斯坦认为晶体中每个晶格原子都在独立地作振动(zhèndòng)，并且振动(zhèndòng)频率都为v。他引入了晶格振动(zhèndòng)能量量子化的概念，把原子振动(zhèndòng)视为谐振子。量子力学认为，谐振子的振动(zhèndòng)能量为： n为声子的量子数，显然(xiǎnrán)与温度有关第十五页，共89页。根据(gēnjù)玻尔兹曼分布，具有能量为En的谐振子数目，也就是声子占据En能量的概率，正比于 exp(-En/kBT)=exp(-nћv/kBT).那么当温度为T时，振动频率为v的谐振子平均能量为：那么晶体所有(suǒyǒu)原子〔谐振子〕的平均能量可以计算出。第十六页，共89页。由等容热容(rèrónɡ)定义得：爱因斯坦固体热容模型的成功和缺乏(quēfá)之处：高温时，相符合；低温时，趋于零，但与实验有差异；第十七页，共89页。第十八页，共89页。德拜热容(rèrónɡ)模型德拜理论认为： 晶体中各原子间存在弹性引力和斥力，这种力使得(shǐde)原子的热振动相互受着牵连和制约。晶体是连续介质，原子在振动时有宽的振动谱，存在最大振动频率vmax。德拜温度：反响了原子之间的结合力。林德曼公式：vmax×1012×(TM/M)1/2(Va)1/3,而ΘD=hvmax/kB第十九页，共89页。〔2〕从材料热容(rèrónɡ)奉献者角度分类但凡物质温度升高-----微观单元能量的吸收A. 原子(yuánzǐ)振动或者晶格振动B. 大量的自由电子金属(jīnshǔ)中，含有A+B绝缘体中只有A第二十页，共89页。对于以下的热容奉献者：A. 原子振动(zhèndòng)或者晶格振动(zhèndòng)B. 大量的自由电子量子热容理论模型都更加(gènjiā)合理！！！A量子晶格振动热容理论模型----爱因斯坦热容模型B量子自由电子热容理论模型。第二十一页，共89页。金属和合金(héjīn)的热容金属和合金的最大特点就是内部存在大量的自由电子(diànzǐ)，而自由电子(diànzǐ)对于总体系的热容是有奉献的。这样金属的热容实际上应该由两局部组成：晶格离子实局部和自由电子(diànzǐ)局部。低温下金属的热容：CT=CL+Ce=aT3+bT经典理论认为自由电子(diànzǐ)的热容在3k/2数量级，并且与温度无关。但是实际测得的电子(diànzǐ)对于热容的奉献只有此数值的1/100。第二十二页，共89页。费米(fèimǐ)分布函数第二十三页，共89页。陶瓷材料的热容(rèrónɡ)陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，室温下几乎没有自由电子，因此热容与温度关系(guānxì)更符合德拜模型。第二十四页，共89页。相变对热容(rèrónɡ)的影响什么叫做‘相’？ 1.Anyoftheformsorstates,solid,liquid,gas,orplasma,inwhichmattercanexist,dependingontemperatureandpressure. 态：由温度和气压决定的物质存在的形式或状态，如固体、液体、气体或原生质等 2.Adiscretehomogeneouspartofamaterialsystemthatismechanicallyseparablefromtherest,asisicefromwater. 相：在物质上有分别的同源(tónɡyuán)体系，这个体系在物理上是可以分辨的，如冰和水第二十五页，共89页。相变分类：一个好的分类已经是一种重要知识。厄伦菲斯分类：标志是热力学函数及其导数的连续性。对于热力学函数求导数：1、2、3…，一直到某一阶导数出现不连续点时停止。看看此时求导是第多少阶，是多少阶就是多少阶相变。一级相变〔有潜热，从温度上看为突变〕 二级相变〔从温度上看为一个有限范围(fànwéi)〕考虑水结成冰这个相变是多少级相变？第二十六页，共89页。4.3材料(cáiliào)的热膨胀1、热膨胀来自于晶格原子的非简谐振动*2、膨胀系数3、影响(yǐngxiǎng)热膨胀的因素4、热膨胀的测试方法及应用第二十七页，共89页。对于固体材料，其热膨胀的本质归因于：晶体点阵结构中质点之间的平均距离随温度(wēndù)升高而增大。而并不能简单解释为由于质点的振幅随温度(wēndù)的升高而增大。热膨胀的微观机理是原子的非简谐振动。事实上，材料的晶格振动中相邻质点间的作用力并不是简单地与位移成正比的。作用力与位移成正比的振动是简谐振动。4.3.1 热膨胀来自(láizì)于晶格原子的非简谐振动第二十八页，共89页。一维双原子(yuánzǐ)链示意图第二十九页，共89页。对于某弹簧振子(zhènzǐ)来说，它将作简谐振动。第三十页，共89页。简谐振动(zhèndòng)↓非简谐振动(zhèndòng)↘第三十一页，共89页。当r<r0时，晶格离子实间的作用力表现为斥力，且斥力随r减小增加较快；而当r>r0时，晶格离子实间的作用力表现为引力，这个引力随r增大减小得较慢；在振子受到上述作用力F(r)的情况下，振子的平衡位置应该向那个方向(fāngxiàng)移动？第三十二页，共89页。U(r)=U(r0)+c(r-r0)2-g(r-r0)3+…基态下原子(yuánzǐ)间距为：r0第三十三页，共89页。第三十四页，共89页。4.3.2 膨胀系数(péngzhàngxìshù)线膨胀系数(péngzhàngxìshù)：〔膨胀量/温度变化量〕l=f(T)的倒数(dǎoshù)是材料线膨胀系数的曲线。还有体膨胀系数的概念第三十五页，共89页。工程中膨胀系数是经常要考虑的物理参数之一。如玻璃陶瓷与金属之间的封接，由于(yóuyú)电真空的要求，需要在低温和高温下两种材料的膨胀系数比较相近。否那么，容易漏气。要注意对于立方晶系，各个方向的膨胀系数是相同的。第三十六页，共89页。膨胀系数与其它(qítā)物理量的关系热膨胀是固体材料(cáiliào)受到热作用以后晶格振动加剧而引起的容积〔体积〕膨胀，而晶格振动的加剧正是〔温度〕热运动能量的增大。 1/与热容有关，β=γCv/KV 2/固体热膨胀极限方程：〔VTM-V0〕/V0=6% 3/热膨胀系数和熔点有一定的关系：αTM=b 4/膨胀系数与德拜温度的关系〔由林德曼公式〕 5/膨胀系数随元素原子序数明显呈周期性变化。第三十七页，共89页。4.3.3影响(yǐngxiǎng)热膨胀的因素合金成分和相变晶体缺陷晶体各向异性〔弹性模量高方向膨胀系数小〕铁磁性转变(zhuǎnbiàn)〔反常膨胀〕第三十八页，共89页。4.3.4热膨胀的测试方法及应用(yìngyòng)热膨胀的测量(cèliáng)方法 千分表简易膨胀仪 光学膨胀仪 电测膨胀仪 *测量(cèliáng)并分析材料的变温X射线谱。第三十九页，共89页。膨胀法在材料研究中的应用 测定钢的临界点 测定钢的过冷奥氏体等温转变曲线 测定钢的连续冷却转变曲线 研究快速(kuàisù)升温时金属相变及合金时效动力学 研究晶体缺陷〔知道有这点就可以〕各个主要成分的相要分别考虑清楚，之后才是深入研究。第四十页，共89页。4.4材料(cáiliào)的导热性热传导宏观(hóngguān)规律及其微观机制4.4.1 傅立叶导热定律4.4.2 热扩散率和热阻4.4.3 导热的微观机制第四十一页，共89页。热传导 某材料内部温度不均匀或者两个温度不同的物体相互接触，热就会自发(zìfā)地从高温度区向低温度区传播〔两端均为恒温源〕。4.4.1 傅立叶导热(dǎorè)定律第四十二页，共89页。稳态时，单位时间内通过(tōngguò)垂直截面上的热流密度q正比于该金属棒的温度梯度。(类比水流、电流)负号表示热量向低温处传播(chuánbō)；比例系数k称为热导率。第四十三页，共89页。热导率单位：J/(m·K·s)金属(jīnshǔ)： 50~415合金： 12~120第四十四页，共89页。4.4.2 热扩散率〔导温系数〕和热阻稳态热传导——材料各点温度随时间不变化。 dT/dt=0，T仅为x的函数T(x)。非稳态时，T(x,t)。考虑如果棒与外界(wàijiè)绝热，也就是没有热交换，那么，初始时自身的温度不平衡将逐渐随着时间的流逝而趋于平衡，因为有温度梯度就会有热传导，最终温度梯度趋于零。第四十五页，共89页。导温系数就是衡量材料导温(实质是说使得材料温度从不均匀分布趋于均匀分布)的能力之参数。定性来看，材料热容对于导温起阻碍作用；密度也起阻碍作用；而材料的热导率那么是起促进作用导温系数的物理意义与不稳定的导热过程相联系。不稳定导热过程，一方面涉及热量的传导，一方面涉及温度的变化。热扩散率标志着材料温度的变化速度。α=k/〔dcp〕在相同条件下，α越大那么物体各局部(júbù)温差越小。第四十六页，共89页。实际的工程中，人们经常要处理或者选择保温材料或热交换材料。当然导热系数和导温系数是重要的依据。除此两者之外还有就是热阻，R=ΔT/Φ，其中ΔT是温度差，Φ是热流量。热阻的倒数是热导类比于Ohm’sLaw,R=U/I来理解这个概念。注意，热导和热导率的差异(chāyì)，类似电导和电导率之间的区别。第四十七页，共89页。4.4.3导热(dǎorè)的微观机制固体的晶格离子实只能在其平衡位置附近做小幅振动，与气体不同，固体不可以靠分子之间的直接碰撞作用(zuòyòng)来传递热量。虽然不可以直接传递热量，但是各离子实的振动不是独立的。靠晶格振动的格波〔或声子〕和自由电子来传递热量，固体的热导率为两局部的和。类似于热容也是由两局部组成一样。第四十八页，共89页。金属的热传导热导率和电导率的关系热导率及其影响(yǐngxiǎng)因素Ke正比(zhèngbǐ)于T，而电导率呢？第四十九页，共89页。Wiedeman-Franz定律：给定温度下金属的电导率和热导率比值为常数(chángshù)。但是实质是说自由电子的电导率和热导率比值为常数(chángshù)。第五十页，共89页。对于(duìyú)金属，有：显然(xiǎnrán)，当第二项来自声子的局部可以忽略时，W-F定律成立。一般是在固体材料的德拜温度以上第五十一页，共89页。热导率及其影响(yǐngxiǎng)因素纯金属的导热性： 热导率与温度，金属的热导峰； 晶粒的大小； 各向异性； 杂质。合金(héjīn)的导热性：分有序和无序固溶体来讨论。

第五十二页，共89页。4.5材料(cáiliào)的热稳定性热稳定性的表征热应力抗热冲击(chōngjī)性能第五十三页，共89页。热稳定性：指材料承受温度的急剧变化而不致被破坏的能力，也称抗热震性。热应力：仅由材料受热膨胀或遇冷收缩引起的内应力称为热应力。这种应力可以导致材料的断裂破坏或者发生不希望的塑性(sùxìng)变型。对于光学材料将影响其光学特性，光学特性是非常容易受影响的，换句话说光学是检测材料缺陷等的非常精密的手段。第五十四页，共89页。热应力的来源(láiyuán)因为(yīnwèi)热胀冷缩受到限制而产生的热应力因温度梯度而产生热应力多相复合材料因为(yīnwèi)各相的膨胀系数不同而产生热应力。第五十五页，共89页。抗热冲击(chōngjī)性能抗热冲击断裂性能 三种热应力断裂抵抗因子。 断裂是怎么(zěnme)产生的？ 比较材料所受应力和抗拉强度。第五十六页，共89页。4.6材料(cáiliào)的热电性4.6.1 热电材料(cáiliào)的机理4.6.2 热电效应的应用第五十七页，共89页。热电效应(rèdiànxiàoyìng) 塞贝克效应(*) 玻尔帖效应 汤姆逊效应功能材料(cáiliào)种类繁多第五十八页，共89页。两种不同(bùtónɡ)材料组成回路：回路电流的流向看具体场境。温度差x较小时，电动势与之成线性关系4.6.1 热电效应(rèdiànxiàoyìng)的机理(1)——塞贝克效应第五十九页，共89页。两种不同金属材料的自由电子密度(mìdù)不同，当接触时，在接触面上就会发生电子扩散。这将与PN结中载流子的扩散形式相似。电子的扩散速率与两导体的电子密度(mìdù)有关并和接触区的温度成正比。注意，低温端扩散形成电势差，高温端也扩散形成电势差，但是两者的绝对值是不同的。第六十页，共89页。自由空间中或真空中，两金属的EF可能不一致〔ns不同(bùtónɡ)是非常可能的〕，但是接触后，费米能级取为相同。第六十一页，共89页。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B那么(nàme)因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，到达动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势：eAB(T)：为导体A和B的结点在温度T时形成的接触电势；

e：为电子电荷；kB：玻尔兹曼常数大家注意，上面所说(suǒshuō)的是在某一个接触点的情况。第六十二页，共89页。第六十三页，共89页。热电偶测温-信号级能量(néngliàng)〔功率低〕第六十四页，共89页。温差发电-能源级能量(néngliàng)〔功率高〕第六十五页，共89页。(2)——珀耳帖效应(xiàoyìng)塞贝克效应(xiàoyìng)：先热后电；珀耳帖效应(xiàoyìng)：先电后热。第六十六页，共89页。由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。这将与PN结中载流子的扩散形式相似。电子的扩散速率(sùlǜ)与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。在相同温度下，两个端点处由于电子扩散而形成的电势差相同，回路中不会有电流〔合电动势为零〕。第六十七页，共89页。假定(jiǎdìng)：nA>nB,eA<eB电子在一端是由电子能量高处(ɡāochǔ)迁往电子能量低处，而在另一端一定是从电子能量低处迁往能量高处(ɡāochǔ)。体系的能量升高就对应生热(shēnɡrè)或温度变高。第六十八页，共89页。温差(wēnchā)发电器In1822,theEstonian–GermanphysicistThomasJohannSeebeck(inset)discoveredthatifheatisappliedacrossthejunctionoftwowires,acurrentisgenerated.Itisthebasisofthermocouples—devicesusedforcooling,andforpowergenerationsuchasintheVoyagermissiontoJupiterandSaturn,seenhereatitslaunchin1977.4.6.2 热电材料(cáiliào)的应用第六十九页，共89页。日美专家(zhuānjiā)开发出高效热电转换材料日本大阪大学教授山中伸介和美国科研人员合作开发出一种新型热电转换材料，其效率到达常规热电转换材料的约２倍。铅和元素碲的化合物添加少量铊，在500摄氏度左右的温度下热电转换效率到达百分之十几，而常规热电转换材料的效率只有７％至８％。科研人员说，如果覆盖纳米金属薄膜，新材料可在更低温度条件下高效率地发电。在工业生产等领域，大量的热能往往白白流失掉。如普通汽车引擎产生的能量(néngliàng)约有60％在生成热量的过程中丧失。25JULY2019VOL321p554SCIENCE第七十页，共89页。AninconvenienttruthaboutthermoelectricsCroninB.ViningＮaturematerials|VOL8|FEBRUARY2019第七十一页，共89页。据德国?科学(kēxué)画报?杂志报道，来自德国慕尼黑的一家芯片研发企业研究出的这种新型电池，主要由一个可感应温差的硅芯片构成。当这种特殊的硅芯片正面“感受〞到的温度较之反面温度具有一定温差时，其内部电子就会产生定向流动，从而产生微电流。负责研发这种电池的科学(kēxué)家温纳·韦伯介绍说，“只要在人体皮肤与衣服等之间有5℃的温差，就可以利用这种电池为一块普通的腕表提供足够的能量〞。第七十二页，共89页。1821年，德国物理学家塞贝克〔T.J.Seebeck〕发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路(huílù)中，当两接触处的温度不同时，回路(huílù)中会产生一个电势，这就是热电效应。也称作“塞贝克效应〔Seebeckeffect〕〞。ThomasJohannSeebeck〔1770～1831〕第七十三页，共89页。测温度用的热电极材料： 热电势与温度有良好(liánghǎo)的线性关系； 具有较大的热电势系数； 材料的热电性能可靠； 其他环境因素。第七十四页，共89页。ZT=S2T/ρ(ke+kl)第七十五页，共89页。第七十六页，共89页。种类：化合物半导体特性：无噪音、寿命长、性能稳定用途：主要用于油田、野外、军事(jūnshì)等领域,同时越来越多地应用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业等行业。第七十七页，共89页。按工作温度来分类：高温温差发电器，其热面工作温度一般在700℃以上(yǐshàng)，使用的典型温差电材料是硅锗合金〔SiGe〕；中温温差发电器，其热面工作温度一般在400℃～500℃，使用的典型温