材料物理第三节热膨胀.ppt

一、热膨胀定义,二、热膨胀机理,三、热膨胀与其他性能的关系,四、影响热膨胀系数的因素,五、热膨胀系数测定及应用,一、热膨胀定义,物体的体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。,热膨胀采用线膨胀系数和体积膨胀系数来表示。,线膨胀系数：,即温度升高1K时，物体的相对伸长。用 表示。,平均线膨胀系数,取极限,T温度真线膨胀系数,线膨胀系数的单位为K-1。,体积膨胀系数：,温度升高1K时物体体积相对增长值。用 表示。,对于各向同性的材料，,对于各向异性的材料，设各方向线膨胀系数为,注意：,固体的热膨胀系数不是一个常数，通常随温度升高而增大；,无机材料热膨胀系数较小，约为10-5-10-6K-1；各种金属和合金约为10-5-10-6K-1；钢的热膨胀系数(10-20)10-6K-1；,材料线膨胀系数一般用平均线膨胀系数表征。,二、热膨胀机理,在晶格振动理论中，将势能函数在平衡位置展成级数：,按一般简谐振动把近似互作用能保留到二次项,则有,考虑非简谐效应,受力不对称,温度升高,振幅增大,质点在平衡位置受力不对称情况越显著,平衡位置向右移动越多,相邻质点间平均距离就增加得越多,导致原子间距增大,晶体膨胀.,位能不对称,温度升高,平均位置移动越远,原子平均距离就增加得越多,产生晶体膨胀.,此外,晶体中各种热缺陷的形成也会造成晶格畸变和膨胀,在高温尤为重要。,三、热膨胀与其他性能的关系,1、热膨胀与热容的关系,由于二者引起的机理一致，故变化趋势相同。,但高温下由于热平衡缺陷，造成点阵畸变，故增大较显著。,Al2O3 的比热容、线膨胀系数与温度的关系,2、热膨胀与结合能、熔点的关系,其中：Tm熔点；VTm熔点时的体积；V00K时的体积；C不同材料的值不同。,晶体的结构类型相同时，结合能越大，熔点越高，而越小。,格留乃申方程反映了这种相反的变化趋势：,四、影响热膨胀系数的因素,键强度,键强度高的材料，具有低的热膨胀系数；,晶体结构,对于成分相同的材料，结构紧密的晶体热膨胀系数较大，而类似非晶态玻璃结构比较松散的材料，具有较小的热膨胀系数；,晶轴方向,对于非等轴晶系的晶体，晶轴方向不同，热膨胀系数不同；致密的晶体学方向，小。如石墨的垂直于C轴的层间膨胀系数较小，而平行于C轴的垂直层的膨胀系数较大；,相变,相变伴随的点阵重构引起附加的L，而 L/T,合金的溶质元素,由简单金属与非铁磁性金属组成的单相均匀固溶体合金的膨胀系数一般介于两组元膨胀系数之间，且随溶质原子浓度的变化呈直线式变化。加入锰和锡使铁膨胀系数增大，而加入铬和钒使铁的膨胀系数变小。,相组成、合金成分,多相合金的膨胀系数仅取决于组成相性质和数量，介于各组成相膨胀系数之间，可近似按各相所占体积百分数，依混合定则粗赂估算。,五、热膨胀系数测定及应用,1、热膨胀系数测定,关键是如何将微小的L放大？,机械放大：利用千分表将将试样伸长量L放大。如：顶杆式膨胀仪,光学放大：利用光杠杆，通过光线偏转角度将试样伸长量L放大。如光学膨胀仪。,电磁放大：将L转换为V以后放大。如差动变压器法,实验室中的热膨胀仪,光杠杆结构示意图,1.1 光学放大：,差动变压器膨胀仪结构示意图 左图：差动变压器原理图；右图：仪器结构图,1.2 电磁放大：,2、热膨胀应用,陶瓷和釉的膨胀系数要适应。,釉的膨胀系数要小于陶瓷的膨胀系数，但不能小太多。,精密仪表零件、电子封装器件等需要防止膨胀，以提高仪器精度。,热膨胀法确定钢相变的临界点,研究相变温度,相变时，组织转变会附加体积效应，从而使膨胀曲线产生拐折。,一、热传导定义,二、热传导微观机理,三、影响热传导性能的因素,四、热导率测定及应用,一、热传导定义,当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动传向冷端，这个现象称为热传导。,对于各向同性物质，热传导满足傅里叶定律：,热导率或导热系数，其物理意义是指在一定的温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位为J/(msK)或W/(mK)。,负号表示传递的热量Q与温度梯度具有相反的符号,当 0时，Q0，热量沿 x 轴正方向传递；0时，Q0，热量沿 x 轴负方向传递。,注意：傅立叶定律，它只适用于稳定传热的条件，即,二、热传导微观机理,气体的传热是依靠分子的碰撞来实现的，但固体材料中的质点都处在一定位置上，并且只能在平衡位置附近作微小振动，所以不能像气体那样依靠质点间的直接碰撞来传递热能。,固体中的导热主要是由晶格振动的格波、自由电子的运动以及热辐射来实现。,注意：材料不同，导热方式不同。如对于金属材料，由于有大量的自由电子存在，所以主要靠自有电子运动实现热量的传递，因此金属一般都具有较大的热导率(晶格振动对金属导热也有贡献，只是相比起来是很次要的)。但对于非金属材料，如一般离子晶体，晶格中自由电子极少，所以晶格振动是它们的主要导热机制。,1、声子热导,晶格振动,格波,能量子声子,晶格热振动看成是“声子气体”，平均声子数为：,声子数密度大,声子数密度小,晶格热传导可以看成是“声子”扩散和碰撞运动的结果。同样可以利用气体分子的热传导公式来作为晶格热传导的公式。,CV单位体积热容，l-声子自由程，声子平均速度(常取固体中声速)。,由于固体热容和平均自由程都是声子振动频率的函数，所以：,注意：因为晶格热振动非简谐效应的存在，格波间有一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，导致声子的平均自由程减小。格波间相互作用愈大，声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低，因此这种声子间碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源。,2、光子热导,固体具有能量，会辐射出频率较高的电磁波，这类电磁波频谱较宽，其中波长在0.440m间的可见光与部分红外光称为热射线。热射线的传递过程也称为热辐射。由于它们都在光频范围内，所以热射线的导热过程可以看作是光子导热。,理论证明，温度T时单位体积绝对黑体的辐射能ET为,式中：为斯帝芬-波尔茨曼常数；折射率；光速,由于辐射传热中容积热容Cv,m相当于提高辐射温度所需的能量,又辐射线在介质中速度,可以发现描述介质中这种辐射能的传递能力的参量，取决于辐射能传播过程中光子的平均自由程l。,对于辐射线是透明的介质，l 较大，光子导热率较大；对于辐射线是不透明的介质，l 较小，光子导热较小；对于辐射线是完全不透明的介质，l=0，光子导热可以忽略。,3、自由电子引起的电子热导,大量的自有电子可以看做自有电子气，与气体分子通过碰撞导热的过程类似，其电子热导率具有如下形式：,注意：对于纯金属主要考虑电子导热，对于合金还要考虑声子导热。,三、影响热传导性能的因素,1、温度的影响,1)高温时，TD,基本与温度无关，Cv和与温度密切相关,2)低温时，TD,因为在实际晶体中存在杂质和缺陷，声子的平均自由程不会非常大。对于完整的晶体，(D为晶体线度)。,低温时：,图8-15 单晶Al2O3温度热导率曲线,由于拐点温度在40 K左右，所以对于晶体材料，在常用温度范围内，热导率随温度的上升而下降。,2、晶体结构的影响,声子传导与晶格振动的非谐振有关，晶体结构越复杂，晶格振动的非谐振性程度越大，格波受到的散射越大，因此声子平均自由程 l 越小，热传导率越低。,对于非等轴晶系的晶体，热导率也存在着各向异性的性质。,同一种材料，多晶体的热导率总是小于单晶体。,非晶态材料的热导率较小，随着温度升高，热导率稍有增大。,3、化学组成的影响,组成元素相对原子质量愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率愈大；,固溶体的形成同样降低热导率；,4、复相材料的热导率,复相材料中包括连续相和分散相，其热导率表示如下：,式中：分别为连续相热导率、分散相热导率和分散相体积分数。,在陶瓷材料中，一般玻璃相是连续相，因此，普通陶瓷和粘土制品的热导率更接近其中玻璃相的热导率。,5、缺陷的影响,晶体中存在的各种缺陷和杂质会导致声子的散射，降低声子的平均自由程，使热导率变小；,温度不是太高，气孔率小，气孔尺寸小，且均匀分布，气孔可看做分散相，则,对于粉末和纤维材料，由于气孔形成了连续相，其热导率比烧结状态时又低得多，因此具有热绝缘性能。,四、热导率测定及应用,1、热导率测定,热导率测量是在导热系数测定仪上进行的，如下图所示,导热系数测定仪示意图,稳定流动状态下，在t时间内沿圆柱体各截面流过的热量Q为,在t时间内，流出的水带走的热量Q为,注意：为了保持稳态条件，防止侧面散发热；高温端发热量要稳定；保持冷却水有稳定的流速。,2、热导率的应用,隔热耐火材料生产：气孔率高的多孔轻质耐火材料；,在电子信息材料的研究中，寻找高导热低膨胀系数的材料也是一个重要课题。,