材料物理性能.ppt

1、材料的物理性能第1章前 言,材料科学与工程是关于 材料的成分与结构（composition and structure）、 合成与加工（synthesis and processing）、 性质（proporties） 与服役性能（performance）这四个要素、 以及它们两两之间的互相联系的学科。,本课程中，材料的性能是指“材料性质”。它是材料科学与工程学科的四个基本要素之一。 所谓的材料性能，是指在给定的外界环境中，材料受到某种作用时，其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介质、辐照等。 受到这些因素作用时，材料内部会产生一系列的变化，伴随之

2、产生一些外在表现，也就是所谓的状态的变化。,材料的物理性能，是指材料受到外部作用时，电、磁、光、热、声学方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生的变化。 作用因素通常也以这些相应的物理量为主。 材料的物理性能可以大致划分分电学性能、磁学性能、介电性能、光学性能、热学性能、声学性能。 此外，在一些书籍中，材料的物理性能还涉及到材料的形状记忆效应(shape memory effect)、储氢特性、生理功能性(Bio-functionality)与生物相容性(compatibility)等。 -功能材料的基础,本课程介绍以下内容,1。材料的热学性能 龙毅 4学时 2。材料的磁学性能 龙毅 10学

3、时 3。材料的电学性能 强文江 12学时 4。材料的介电 龙毅 4学时 5. 光学性能 常永勤 4学时 本课特点：各性能之间相关性不太明显。 基本水平：各性能都熟悉 高水平：体会各性能之间联系。,本课实行点名 7次不到取消考试资格 第1-2次不到考试成绩扣1分/每次 第2-4次不到考试成绩扣1.5分/每次 第5-6次不到考试成绩扣2分/每次 本课无实验。,第二章材料的热学性质,主讲：龙毅 解答问题邮箱地址,2.1概论,材料主要的热性能参数有哪些？ （1）热容：材料升高一度所需要的热量。 （2）热膨胀系数：当温度变化1度（单位：K）时，物质尺寸（或体积）的变化率。其单位是1/K。,（3）热传导

4、对于两端温度分别是T1,T2的均匀棒，当各点温度不随时间变化时，在单位时间内沿x轴正方向传过单位截面上的热量Q和温度沿x轴变化率的比值为热导率 ：,单位是W/(m.K) ， 越大，导热能力越好。,热学性能的应用背景？,Learning Objectives After careful study of this chapter you should be able to do the following: 1. Define heat capacity and specific heat. 2. Note the primary mechanism by which thermal energ

5、y is assimilated in solid materials. 3. Determine the linear coefficient of thermal expansion given the length alteration that accompanies a specified temperature change. 4. Briefly explain the phenomenon of thermal expansion from an atomic perspective using a potential energy-versus-interatomic sep

6、aration plot. 5. Define thermal conductivity. 6. Note the two principal mechanisms of heat conduction in solids, and compare the relative magnitudes of these contributions for each of metals, ceramics, and polymeric materials.,查,材料的热学性能的微观机制是什么？ 原子振动，电子运动,参考”金属材料结构和性能”,毛卫民，2007固体物理，苟清泉，90年前,晶体内的原子并不

7、是在各自的平衡位置上固定不动的： 由于热运动，各原子离开了它们的平衡位置; 由于原子间的相互作用，有回到平衡位置的趋势。这两个矛盾相互作用的结果，使每个原子在平衡附近作微振动。,材料中原子如何振动？,。,2.2。原子简谐振动,1。设原胞中只含有一个原子，做一维振动,a是平衡时原子间距（晶格常数）,原子的热振动是否有规律？,两原子间的互作用势能因原子微振动而由平衡时的U（a）变为U（a+）。 因为是微振动，很小，所以将U（r）在平衡点a附近，按泰勒级数展开，得：,很小，势能可近似为关于的抛物线： 两原子间相互作用力F为： 原子做简谐振动时，可以用量子力学中简谐子的简谐运动描述其振动特性 （参考大

8、物的量子物理）,简谐振动的动力学基本特征：力与平衡位置的位移大小成正比、方向相反。,对第n个原子，考虑n-1,n+1原子对它的作用， 它的简谐振动的运动方程可写成：,Fma,一个质点的振动会影响到其他质点振动,提出方程（1）； 其解有（2）的形式，其频率与波矢q之间满足关系式 (3)； 给定一个q，总有一个与之对应，给定一组(q,)，式（2）就表示原子的一种振动形式，称之为格波； q取值范围由q的单值性要求 和周期性要求： 决定,（1）,（2）,（3）,据此，我们又可以把第 n一1个 、第 n+1个原子的振动表表示如下： 上式中A为常数，表明各原子以相同的频率振动，且振幅相等，各式指数上的括号

9、表示原子振动的相位。显然，各相邻原子间振动相位不同。从空间变化来看，晶格中各个原子间的振动相互间都存在着固定的位相关系，也即在晶格中存在着角频率为的平面波，这种波称为格波。,根据上述推导，在t时刻，第n个原子位移图像是什么？ 对于一维单原子晶格，第n个原子的第l个振动模式引起的总位移是： 第n个原子由于kT热扰动产生的在平衡位置附近作无规律振动可以用一系列的格波来描述！ 对于自由度为3nN的晶格振动，格波的总模式数为3nN,格波的频率和波数的关系：声学波和光学波,光学波频率处于光谱的红外区，所以称该支波为光学波,声学波,离子位移极化,格波的能量和声子 在现代物理中，需要用势能求解薛定谔方程确定

10、一维晶格简谐振动的能量： 一维晶格简谐振动的能量是量子化的，即频率为的晶格振动能量为：,能量的量子“ ”称为声子 。,用波耳兹曼统计理论，在温度为T的热平衡中，频率为的振动的平均能量为： 为了找出与所有晶格振动联系的晶体内能，还需要考虑在各种频率有多少模式，即在波矢空间里频率为至+d包含的模式数，设()是单位频率内的模式数，那么， ()d是d范围内的模式数。一摩尔固体晶格振动的内能是：,以上的晶格振动如何和材料的热学性能联系的？2.5。材料的热容,1。热容定义,实际规律:,2。晶格振动热容,晶格振动的总平均能量:,只要求出角频率的分布函数（），就可以从理论上求出热容 。,德拜模型,德拜近似 只

11、考虑频率较低的声学波对比热的贡献； 德拜近似假设：将晶格看作是各向同性的连续介质，把格波看作是弹性波，并且还假定纵的和横的弹性波的波速相等。 这样就可以定量算出频率角频率在和d之间的格波数(),（a)德拜近似的分布函数 （b)实际晶体中分布函数,定义德拜温度 ，和在热容计算中取的最大频率m关系为：,德拜热容特点： 当x1时，热容趋于经典极限3R 在极低温度下，热容和温度T3成比例,德拜模型得到的计算热容的公式,Debye constant-volume molar heat capacity curve. The dependence of the molar heat capacity Cm

12、 on temperature with respect to the Debye temperature: Cm vs. T/TD. 例： Si, TD = 625 K so that at room temperature (300 K), T/TD = 0.48 and Cm is only 0.81*3R.,德拜理论不能解释金属热容实验值的地方： 很低的温度T5K，实验表明Cv正比于T， 高温区，Cv虽然很接近25J/mo1.K，但并不是以3R为渐近线，而是超过3R继续有所上升。,Why?,Cve=N,自由电子对热容的贡献,31,increasing cp, Why is cp sig

13、nificantly larger for polymers?,Specific Heat: Comparison,Cp (heat capacity): (J/mol-K),特氟隆,聚苯乙烯,聚合物,作业（下周交）,1。1。利用如下图，估算300K和-30下Al、Cu的单位质量的热容。已知Al、Cu 的德拜温度分别是：398K, 315K。 计算具有两种类型原子的GaAs在300K和-40的单位质量的热容，已知GaAs的德拜温度是：344K。 。 计算70Cu30Zn 合金的摩尔热容，已知其比热为： 375 J/kg K,2.4声子的碰撞,简谐振动中不考虑声子之间的相互作用，碰撞。 计入内能

14、的非简谐项，就引入了声子的碰撞。该碰撞存在于晶格振动中。,两个声子通过非简谐项作用，而产生第三个声子，这可以看成是两个声子相互碰撞，最后变成第三个声子。 声子间的相互作用，必须遵守能量守恒定律和动量守恒定律。,或者,简谐振动近似：格波之间相互独立，声子间无相互作用 非简谐振动：格波之间相互不独立，声子间有相互作用,思考题 1.结合本学期上的统计物理，从统计物理的角度总结电子，声子和光子的特性 2.为什么说声子是准粒子？ 3。结合本学期上的统计物理，理解： 用波耳兹曼统计理论，在温度为T的热平衡中，频率为的谐振子的平均能量为： P.43: 1. 2.,电子：遵从泡利不相容原理，每个量子态上至多只

15、能有一个粒子。 它们服从费米狄拉克分布 ： 费米狄拉克分布的意义：能量为E的某一特定能级被占据的概率，在单位体积内在E到EdE能级中的实际费米子数dN为： dN=g(E)f(E)dE ，这里g（E）是态密度。 金属中总电子数为 每个电子平均能量为 ：,声子：服从玻色-爱因斯坦统计分布，在温度为T的热平衡中，一个声子模式的占据数是： 晶格振动的总平均能量:,AMK显卡显存 散热片分为两种型号，它们分别是COW4510W4型和COW4820W4型。散热片的尺寸大概都是20mm20mm，其高度分别为10mm和20mm。散热片由切得很精细的铝片构成，每边都是由九个铅片做成的两个滚条组成。,尺寸为14m

16、mx14mmx14.5mm的MC14（单颗重量8.5g），凭借着铜材质的高导热、以及铸造工艺所造就密集铜柱将显存散热片的散热效能提升到一个新的高度，在官方的演示中，在同样5W热源上和25度室温环境中，MC14凭借新工艺带来的优势比SKIVING制显存散热片可以多降温6.5度。售价已经达到19.95美圆（8颗一组）,拥有显存散热片后，你就可以进行一些冒险的超频。Elsa Gladiac上的DDR 显存其频率为333MHz。将显存速度提高到显卡电压所允许的最大值400MHz。结果与超频到390MHz时一样能够运行。,红外探测即探测目标自身的红外发射特征，降低目标的温度和发射率是达到红外隐形的关键所在。通常降低温度的隐形措施较多，如飞机采用高函道比的涡轮风扇发动机，坦克采用绝热式发动机，发动机采用特殊燃料以降低红外辐射或改变红外辐射波长，采用吸热、隔热材料和涂料，采用闭合环路冷却的控制系统等。,用金