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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节 材料热性能,一、材料热容,1、经典热容理论,2、爱因斯坦热容模型,3、德拜热容模型,二、材料热膨胀,第1页,二、材料热膨胀,1、热膨胀系数,全部材料都有热胀冷缩性,平均线热膨胀系数：,热膨胀系数,温度 T,1,时试样长度；,温度 T,2,时试样长度,平均体热膨胀系数：,温度 T,1,时试样体积；,温度 T,2,时试样体积,热膨胀系数普通是温度函数,线热膨胀系数,和,体热膨胀系数,第2页,2、热膨胀起因,温度 T 时线热膨胀系数：,温度 T 时体热膨胀系数：,热膨胀系数是工程上主要物理参数之一：,许多材料线热膨胀系数是各相异性,各向同性材料（立方系）：,材料间封接，真空系统中要求材料热膨胀系数相近、不然易漏气；多晶、多相复杂结构材料中，各相、各方向膨胀系数不一样会引发热应力,热膨胀本质：,原子平均距离随温度增大,第3页,起因于：,原子间作用力随距离非线性改变、原子振动是非简谐振动,距离,力,引力,斥力,协力,平衡位置 (协力为零)两侧协力曲线斜率不等,0,原子相互作用势能曲线,势能曲线关于 处虚线不对称,原子间作用力,作用力和势能曲线斜率较大；,作用力和势能曲线斜率较小；,0,第4页,3、影响热膨胀原因,0,原子振动时平均距离,：,温度越高、振幅越大，原子在平衡位置两侧受力不对称越显著，新平衡位置右移越多、越大，晶体膨胀越大。,温度 T、平均位置,原子振动能量,原子平均间距随温度改变：,热膨胀与结构相关：,非晶材料属液相结构，材料热膨胀除起因于原子间距增大外、还与材料中自由体积（,未被原子占据空穴,）膨胀相关,第5页,热膨胀与原子结合键相关：,结合键强、热膨胀小,离子键、共价键结合材料：,热膨胀小；,以共价键和,范德瓦尔斯结合聚合物,：热膨胀系数最大,金属键：,含有中等热膨胀系数；,材料,陶瓷,金属,聚合物,第6页,三、材料导热性,1、傅里叶导热定律,材料温度不均匀时，或两温度不一样物体相接触时，热量自动从高温区向低温区传递,热传导：,均匀金属棒两端分别与两恒温热源接触,热平衡时各处温度不随时间改变,稳态,热流密度：,单位时间内经过与热传导方向垂直,单位面积热能,经过金属棒热流密度：,负号：,热能从高温向低温传递,第7页,热导率，,单位,：,热导率反应材料导热能力、不一样材料导热能力差异很大,绝缘材料：,金属：,合金：,非金属：,2、热传导机理（微观机制）,固体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,固体导热机制：,声子（晶格振动晶格波）和自由电子,固体热导率：,声子热导率,电子热导率,第8页,非金属材料：,以声子导热为主,纯金属：,以电子导热为主,合金：,电子和声子共同起作用,a、金属热导率,金属主要,热载流子,自由电子（,电载流子,）,热导率和电导率间联络：,不太低温度下,（Wiedemann Franz 首先发觉）,金属热导率与电导率之比正比于温度,洛仑兹系数(Lorentz number),理论值：,第9页,b、合金热导率,如同合金电导率比纯金属电导率，,合金,金属,原因：,合金中自由电子受合金晶格、,杂质、非均匀相散射强烈,10,20,30,40,组成，,热导率,Cu Zn 合金热导率随Zn 含量改变,Zn 含量增加、热导率下降,c、非金属（陶瓷）、聚合物热导率,传递热量热载流子主要是声子,陶瓷组成和结构远比金属复杂：,除晶相、还包含玻璃相及一定空隙,第10页,声子在传输时受原子组成高度无序不均匀相强烈地散射,热不良导体、热导率远小于金属,陶瓷中空隙对热导率影响最大，,空隙率高、导热率低,多孔陶瓷、多孔聚合物,绝热材料,四、材料热应力,材料热胀或冷缩引发内应力,热应力：,引发材料塑性变形、特征改变、甚至断裂,热应力主要起源以下三个方面：,1、热胀冷缩受到限制产生热应力,均质、各向同性棒，受到均匀加热或冷却、棒内不存在温度梯度,第11页,若棒两端未被夹持：,棒能自由膨胀或收缩、内部无热应力,若棒两端被刚性固定：,温度：,热应力：,弹性模量,；,应变,、线性相对改变量,加热时,棒受压缩应力作用；,冷却时,棒受拉伸应力作用,2、温度梯度产生热应力,材料受热或冷却时，内部温度分布与其形状、大小及热导率，和温度改变率相关,第12页,3、多相复合材料中各相膨胀系数不一样引发热应力,材料中若有温度梯度，引发热应力,例：材料被从外部快速加热或冷却：,加热：,表面比内部温度高、表面膨胀比内部大，相邻,内部限制表面自由膨胀，,表面受到压应力、相邻内部受到拉应力,冷却：,表面受拉应力、相邻内部受压应力,与情况2类似,不是机械力约束、而是各相间膨胀、收缩相互制约引发,第13页,第四节 材料光学性质,光在高科技地位不停提升，电子器件和光子器件融合、光集成器件是主要研究方向,一、光属性、光与物质作用,1、光属性回顾,光波动性与粒子性,有些情况波动性占主导地位；有些情况粒子性占主导地位,波动性与粒子性联络方程：,光子能量,通常意义光,可见光：,电磁破,第14页,光（电磁）波 横波，两个振动矢量,：,电场强度,传输方向,磁场强度,电磁波在真空中传输速度：,电磁波在介质中传输速度：,介质相对介电常数和相对磁导率,2、光与物质作用,从一个介质（空气）入射另一个介质光成为四部分,：,反射、透射、散射、吸收部分,第15页,入射光束强度，,反射强度，,透射强度，,散射强度，,吸收强度,反射率、透射率、散射率、吸收率,金属对可见光不透明,入射光,反射,吸收,第16页,b、电子能态转变,光与物质间作用实质,光子与物质中原子、离子、电子间相互作用,两种主要作用：,电子极化,和,电子能态改变,a、电子极化,光波中电场分量对物质作用远大于磁场分量作用,光波交变电场引发电子位移极化,电子极化:,电子极化吸收部分光能、引发光速减小、造成光折射,光子吸收或散射普通包括电子能态转变,光子因被吸收或被散射而消失或改变方向和能量；电子因吸收光子能量而被激发到高能态,第17页,孤立原子吸收光子情况：,频率为 入射光子,能量,E,2,能级上电子只有吸收能量为,光子，才能抵达 E,4,能级,孤立原子能级是分立能级，电子对吸收光子能量有严格要求,电子能级,晶体吸收光子情况：,晶体中、原来孤立原子分立能级被准连续能带所取代,孤立原子,晶体,第18页,易于实现,跃迁条件,跃迁辐射：,激发逆过程,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,二、金属光学特征,入射光子,能量,费米能级,满态,空态,金属光学性质与金属能带亲密相关,费米能级以上为准连续空能级；以下为充满电子准连续能级,（绝对零度下）,除高频电磁辐射 射线、射线外，,几乎全部低频辐射光子（无线电波 紫外），都能被,吸收,金属对可见光不透明：,入射光,反射,吸收,第19页,任意光子 总能找到一个,空能级 E,、满足跃迁条件：,以下占有电子能级,金属不透明，厚金箔几乎可吸收全部入射光子,满态,空态,发射光子,反射光：,光激发电子跃迁辐射光,大多数,金属反射系数,：,入射光中仅一小部分在金属表面层内以热形式损耗掉,金属颜色：,不是由吸收光波长决定、而是由反射光波长决定,第20页,日光照射下大多金属展现银灰色,有色金属：,反射光中该颜色波长可见光成份多,三、非金属光学性质,第21页,
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