材料科学与技术讲义材料的热性质与光性质公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第三节第三节 材料热性能材料热性能一、材料热容一、材料热容1、典型热容理论、典型热容理论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、材料热膨胀二、材料热膨胀第1页第1页二、材料热膨胀二、材料热膨胀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：热膨胀系数热膨胀系数温度温度 T1 时试样长度；时试样长度；温度温度 T2 时试样长度时试样长度平均体热膨胀系数：平均体热膨胀系数：温度温度 T1 时试样体积；时试样体积；温度温度 T2 时试样体积时试样体积热膨胀系数普通是温度函数热膨胀系数普通是温度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第2页第2页2、热膨胀起因、热膨胀起因温度温度 T 时线热时线热膨胀系数：膨胀系数：温度温度 T 时体热时体热膨胀系数：膨胀系数：热膨胀系数是工程上主要物理参数之一：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许多材料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）：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、各方向膨胀系数不同会引发热应力热膨胀本质：热膨胀本质：原子平均距离随温度增大原子平均距离随温度增大第3页第3页起因于：起因于：原子间作用力随距离原子间作用力随距离非线性改变、原子振非线性改变、原子振动是非简谐振动动是非简谐振动距离距离 力力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)两两侧合力曲线斜率不等侧合力曲线斜率不等0原子互相作用势能曲线原子互相作用势能曲线势能曲线关于势能曲线关于 处虚线不对称处虚线不对称原子间作用力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大；作用力和势能曲线斜率较小；作用力和势能曲线斜率较小；0第4页第4页3、影响热膨胀原因、影响热膨胀原因0原子振动时平均距离原子振动时平均距离：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不对称越明显，衡位置两侧受力不对称越明显，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。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改变：随温度改变：热膨胀与结构相关：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（原子间距增大外、还与材料中自由体积（未未被原子占据空穴被原子占据空穴）膨胀相关）膨胀相关第5页第5页热膨胀与原子结合键相关：热膨胀与原子结合键相关：结合键强、热膨胀小结合键强、热膨胀小离子键、共价键结合材料：离子键、共价键结合材料：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聚合物范德瓦尔斯结合聚合物：热膨胀系数最大：热膨胀系数最大金属键：金属键：含有中档热膨胀系数；含有中档热膨胀系数；材料材料陶瓷陶瓷金属金属聚合物聚合物第6页第6页三、材料导热性三、材料导热性1、傅里叶导热定律、傅里叶导热定律材料温度不均匀时，或两温度不同物体相接触时，热量自动从高温区向低温区传递热传导：热传导：均匀金属棒两端分别均匀金属棒两端分别与两恒温热源接触与两恒温热源接触热平衡时各处温度热平衡时各处温度不随时间改变不随时间改变稳态稳态热流密度：热流密度：单位时间内通过与热传导方向垂直单位时间内通过与热传导方向垂直单位面积热能单位面积热能通过金属棒热流密度：通过金属棒热流密度：负号：负号：热能从高热能从高温向低温传递温向低温传递第7页第7页热导率，热导率，单位单位：热导率反应材料导热能力、不同材料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：2、热传导机理（微观机制）、热传导机理（微观机制）固体构成质点只能在平衡位置附近作微小振固体构成质点只能在平衡位置附近作微小振动，不能像气体依托分子碰撞传递热量动，不能像气体依托分子碰撞传递热量固体导热机制：固体导热机制：声子（晶格振动晶格波）和自由电子声子（晶格振动晶格波）和自由电子固体热导率：固体热导率：声子热导率声子热导率电子热导率电子热导率第8页第8页非金属材料：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：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、金属热导率、金属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）热导率和电导率间联系：热导率和电导率间联系：不太低温度下不太低温度下（Wiedemann Franz 首先发觉）首先发觉）金属热导率与电导率之比正比于温度金属热导率与电导率之比正比于温度洛仑兹系数洛仑兹系数(Lorentz number)理论值：理论值：第9页第9页b、合金热导率、合金热导率如同合金电导率比纯金属电导率，如同合金电导率比纯金属电导率，合金合金金属金属原因：原因：合金中自由电子受合金晶格、合金中自由电子受合金晶格、杂质、非均匀相散射强烈杂质、非均匀相散射强烈10203040构成，构成，热导率热导率Cu Zn 合金热导率合金热导率随随Zn 含量改变含量改变Zn 含量增长、热导率下降含量增长、热导率下降c、非金属、非金属（陶瓷）、聚合物热导率陶瓷）、聚合物热导率传递热量热载流子主要是声子传递热量热载流子主要是声子陶瓷构成和结构远比金属复杂：陶瓷构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空隙璃相及一定空隙第10页第10页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不均匀相强烈地散射无序不均匀相强烈地散射热不良导体、热导热不良导体、热导率远小于金属率远小于金属陶瓷中空隙对热导率影响最大，陶瓷中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、材料热应力四、材料热应力材料热胀或冷缩引起内应力材料热胀或冷缩引起内应力热应力：热应力：引起材料塑性变形、特性改变、甚至断裂引起材料塑性变形、特性改变、甚至断裂热应力主要起源下列三个方面：热应力主要起源下列三个方面：1、热胀冷缩受到限制产生热应力、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或冷却、棒内不存在温度梯度第11页第11页若棒两端未被夹持：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：热应力：热应力：弹性模量弹性模量；应变应变、线性相对改变量、线性相对改变量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、温度梯度产生热应力、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，和温度改变率相关状、大小及热导率，和温度改变率相关第12页第12页 3、多相复合材料中各相膨胀系数不同引发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：材料被从外部快速加热或冷却：例：材料被从外部快速加热或冷却：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，内部限制表面自由膨胀，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约束、而是各相间不是机械力约束、而是各相间膨胀、收缩互相制约引起膨胀、收缩互相制约引起第13页第13页第四节第四节 材料光学性质材料光学性质光在高科技地位不断提升，电子器件和光子光在高科技地位不断提升，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、光与物质作用一、光属性、光与物质作用1、光属性回顾、光属性回顾光波动性与粒子性光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联系方程：波动性与粒子性联系方程：光子能量光子能量通常意义光通常意义光 可见光：可见光：电磁破电磁破第14页第14页光（电磁）波光（电磁）波 横波，两个振动矢量横波，两个振动矢量：电场强度电场强度传播方向传播方向磁场强度磁场强度电磁波在真空中传播速度：电磁波在真空中传播速度：电磁波在介质中传播速度：电磁波在介质中传播速度：介质相对介电常数和相对磁导率介质相对介电常数和相对磁导率2、光与物质作用、光与物质作用从一个介质（空气）入射另从一个介质（空气）入射另一个介质光成为四部分一个介质光成为四部分：反射、透射、散反射、透射、散射、吸取部分射、吸取部分第15页第15页入射光束强度，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，吸取强度吸取强度反射率、透射率、散射率、吸取率反射率、透射率、散射率、吸取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取吸取第16页第16页b、电子能态转变、电子能态转变光与物质间作用实质光与物质间作用实质光子与物质中原子、离子、光子与物质中原子、离子、电子间互相作用电子间互相作用两种主要作用：两种主要作用：电子极化电子极化和和电子能态改变电子能态改变a、电子极化、电子极化光波中电场分量对物质作用远不小于磁场分量作用光波中电场分量对物质作用远不小于磁场分量作用光波交变电场引起电子位移极化光波交变电场引起电子位移极化电子极化电子极化:电子极化吸取部分光能、引起光速减小、造成光折射电子极化吸取部分光能、引起光速减小、造成光折射光子吸取或散射普通涉及电子能态转变光子吸取或散射普通涉及电子能态转变光子因被吸取或被散射而消失或改变方向和能量；光子因被吸取或被散射而消失或改变方向和能量；电子因吸取光子能量而被激发到高能态电子因吸取光子能量而被激发到高能态第17页第17页孤立原子吸取光子情况：孤立原子吸取光子情况：频率为频率为 入入射光子射光子能能量量E2 能级上电子只能级上电子只有吸取能量为有吸取能量为光子，才干到光子，才干到达达 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，电子对吸取光子能量有严格要求对吸取光子能量有严格要求电子能级电子能级晶体吸取光子情况：晶体吸取光子情况：晶体中、本来孤立原晶体中、本来孤立原子分立能级被准连续子分立能级被准连续能带所取代能带所取代孤立原子孤立原子晶体晶体第18页第18页易于实现易于实现跃迁条件跃迁条件跃迁辐射：跃迁辐射：激发逆过程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、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、金属光学特性二、金属光学特性入射入射光子光子能能量量费费米米能能级级满满态态空空态态金属光学性质与金属能带密切相关金属光学性质与金属能带密切相关费米能级以上为准连续空能级；费米能级以上为准连续空能级；下列为充斥电子准连续能级下列为充斥电子准连续能级（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，几乎所有低频辐射光子（无几乎所有低频辐射光子（无线电波线电波 紫外），都能被紫外），都能被吸取吸取 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取吸取第19页第19页任意光子任意光子 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：下列占有电子能级下列占有电子能级金属不透明，金属不透明，厚金箔厚金箔几乎可吸取所有入射光子几乎可吸取所有入射光子满满态态空空态态发发射射光光子子反射光：反射光：光激发电子跃迁辐射光光激发电子跃迁辐射光大多数大多数金属反射系数金属反射系数：入射光中仅一小部分在金属入射光中仅一小部分在金属表面层内以热形式损耗掉表面层内以热形式损耗掉金属颜色：金属颜色：不是由吸取光波长决定、而不是由吸取光波长决定、而是由反射光波长决定是由反射光波长决定第20页第20页日光照射下大多金属呈现银灰色日光照射下大多金属呈现银灰色有色金属：有色金属：反射光中该颜色波长可见光成份多反射光中该颜色波长可见光成份多三、非金属光学性质三、非金属光学性质第21页第21页