材料科学与技术讲义材料的热性质与光性质市公开课一等奖省赛课微课金奖课件.pptx

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,