多媒體教案材料物理性能學04材料的熱性能2016au第四章 材料的熱性能4.1熱力學概念簡介4.2材料的熱容*4.3材料的熱膨脹*4.4材料的導熱性*4.5材料的熱穩定性4.6材料的熱電性*4.7材料熱導率的測量方法本章參考書?相變和臨界現象?于淥郝柏林陳曉松著 2005年7月，科學出版社材料的熱學性能是宏觀物質的體效應，能夠反映材料內部的構造特性，熱容、熱導率、熱膨脹和熱應力都是材料工程應用中不可忽略的方面，值得人們進展深入探索研究。‘熱’使得我們現實世界中物質得以展現出其多樣性的一面。我們無時無刻不在面對著‘熱’水的三態；航天器穿越地球大氣層〔耐高溫和高熱導率〕；超導和超流現象；熱脹冷縮效應在我們現實生活中的重要性；電子器件多數都有一定的工作溫度范圍。4.1熱力學概念簡介熱容相變〔宏觀固態物質〕自由度熱力學溫標熵玻爾茲曼分布……自由度是物體運動方程中可以寫成的獨立坐標數。系統中常常存在著各種約束，使得這3N〔N個原子3D空間〕個坐標并不都是獨立的。比方，實空間N個原子理想氣體分子體系，自由度為3N；而運動于平面的一個質點或者說單原子，其自由度為2。

自由度(degreeoffreedom)分子平均平動動能單原子分子平均能量自由度這個概念，更主要是應用于早期材料的熱學特性理論模型。4.2固體材料的熱容〔1〕理論模型的開展〔2〕從材料熱容奉獻者角度分類〔1〕理論模型的開展經典熱容理論——Dulong-Petit定律愛因斯坦的量子熱容理論德拜量子熱容理論對德拜理論的完善和開展Dulong-Petit定律早在19世紀，Dulong-Petit把氣體分子的熱容理論直接用于固體，并用經典統計力學處理晶體熱容假設晶體有N個原子，那么總的平均能量為3NkT，摩爾熱容為：CmV。(能量按自由度均分)實驗發現，它只適用于局部金屬和有限溫度范圍。按照Dulong-Petit定律：晶體的摩爾熱容是一個隨溫度固定不變的常數愛因斯坦熱容模型愛因斯坦認為晶體中每個晶格原子都在獨立地作振動，并且振動頻率都為v。他引入了晶格振動能量量子化的概念，把原子振動視為諧振子。量子力學認為，諧振子的振動能量為： n為聲子的量子數，顯然與溫度有關根據玻爾茲曼分布，具有能量為En的諧振子數目，也就是聲子占據En能量的概率，正比于 exp(-En/kBT)=exp(-n?v/kBT).那么當溫度為T時，振動頻率為v的諧振子平均能量為：那么晶體所有原子〔諧振子〕的平均能量可以計算出。由等容熱容定義得：愛因斯坦固體熱容模型的成功和缺乏之處：高溫時，相符合；低溫時，趨于零，但與實驗有差異；德拜熱容模型德拜理論認為： 晶體中各原子間存在彈性引力和斥力，這種力使得原子的熱振動相互受著牽連和制約。晶體是連續介質，原子在振動時有寬的振動譜，存在最大振動頻率vmax。德拜溫度：反響了原子之間的結合力。林德曼公式：vmax=2.8×1012×(TM/M)1/2(Va)1/3,而ΘD=hvmax/kB〔2〕從材料熱容奉獻者角度分類但凡物質溫度升高-----微觀單元能量的吸收A. 原子振動或者晶格振動B. 大量的自由電子金屬中，含有A+B絕緣體中只有A對于以下的熱容奉獻者：A. 原子振動或者晶格振動B. 大量的自由電子量子熱容理論模型都更加合理！！！A量子晶格振動熱容理論模型----愛因斯坦熱容模型B量子自由電子熱容理論模型。金屬和合金的熱容金屬和合金的最大特點就是內部存在大量的自由電子，而自由電子對于總體系的熱容是有奉獻的。這樣金屬的熱容實際上應該由兩局部組成：晶格離子實局部和自由電子局部。低溫下金屬的熱容：CT=CL+Ce=aT3+bT經典理論認為自由電子的熱容在3k/2數量級，并且與溫度無關。但是實際測得的電子對于熱容的奉獻只有此數值的1/100。費米分布函數陶瓷材料的熱容陶瓷材料主要由離子鍵和共價鍵組成，室溫下幾乎沒有自由電子，因此熱容與溫度關系更符合德拜模型。相變對熱容的影響什么叫做‘相’？ 1.Anyoftheformsorstates,solid,liquid,gas,orplasma,inwhichmattercanexist,dependingontemperatureandpressure. 態：由溫度和氣壓決定的物質存在的形式或狀態，如固體、液體、氣體或原生質等 2.Adiscretehomogeneouspartofamaterialsystemthatismechanicallyseparablefromtherest,asisicefromwater. 相：在物質上有分別的同源體系，這個體系在物理上是可以分辨的，如冰和水相變分類：一個好的分類已經是一種重要知識。厄倫菲斯分類：標志是熱力學函數及其導數的連續性。對于熱力學函數求導數：1、2、3…，一直到某一階導數出現不連續點時停頓。看看此時求導是第多少階，是多少階就是多少階相變。一級相變〔有潛熱，從溫度上看為突變〕 二級相變〔從溫度上看為一個有限范圍〕考慮水結成冰這個相變是多少級相變？4.3材料的熱膨脹1、熱膨脹來自于晶格原子的非簡諧振動*2、膨脹系數3、影響熱膨脹的因素4、熱膨脹的測試方法及應用對于固體材料，其熱膨脹的本質歸因于：晶體點陣構造中質點之間的平均距離隨溫度升高而增大。而并不能簡單解釋為由于質點的振幅隨溫度的升高而增大。熱膨脹的微觀機理是原子的非簡諧振動。事實上，材料的晶格振動中相鄰質點間的作用力并不是簡單地與位移成正比的。作用力與位移成正比的振動是簡諧振動。4.3.1 熱膨脹來自于晶格原子的非簡諧振動一維雙原子鏈示意圖對于某彈簧振子來說，它將作簡諧振動。簡諧振動↓非簡諧振動↘當r<r0時，晶格離子實間的作用力表現為斥力，且斥力隨r減小增加較快；而當r>r0時，晶格離子實間的作用力表現為引力，這個引力隨r增大減小得較慢；在振子受到上述作用力F(r)的情況下，振子的平衡位置應該向那個方向移動？U(r)=U(r0)+c(r-r0)2-g(r-r0)3+…基態下原子間距為：r04.3.2 膨脹系數線膨脹系數：〔膨脹量/溫度變化量〕l=f(T)的倒數是材料線膨脹系數的曲線。還有體膨脹系數的概念工程中膨脹系數是經常要考慮的物理參數之一。如玻璃陶瓷與金屬之間的封接，由于電真空的要求，需要在低溫和高溫下兩種材料的膨脹系數比較相近。否那么，容易漏氣。要注意對于立方晶系，各個方向的膨脹系數是一樣的。膨脹系數與其它物理量的關系熱膨脹是固體材料受到熱作用以后晶格振動加劇而引起的容積〔體積〕膨脹，而晶格振動的加劇正是〔溫度〕熱運動能量的增大。 1/與熱容有關，β=γCv/KV 2/固體熱膨脹極限方程：〔VTM-V0〕/V0=6% 3/熱膨脹系數和熔點有一定的關系：αTM=b 4/膨脹系數與德拜溫度的關系〔由林德曼公式〕 5/膨脹系數隨元素原子序數明顯呈周期性變化。4.3.3影響熱膨脹的因素合金成分和相變晶體缺陷晶體各向異性〔彈性模量高方向膨脹系數小〕鐵磁性轉變〔反常膨脹〕4.3.4熱膨脹的測試方法及應用熱膨脹的測量方法 千分表簡易膨脹儀 光學膨脹儀 電測膨脹儀 *測量并分析材料的變溫X射線譜。膨脹法在材料研究中的應用 測定鋼的臨界點 測定鋼的過冷奧氏體等溫轉變曲線 測定鋼的連續冷卻轉變曲線 研究快速升溫時金屬相變及合金時效動力學 研究晶體缺陷〔知道有這點就可以〕各個主要成分的相要分別考慮清楚，之后才是深入研究。4.4材料的導熱性熱傳導宏觀規律及其微觀機制4.4.1 傅立葉導熱定律4.4.2 熱擴散率和熱阻4.4.3 導熱的微觀機制熱傳導 某材料內部溫度不均勻或者兩個溫度不同的物體相互接觸，熱就會自發地從高溫度區向低溫度區傳播〔兩端均為恒溫源〕。4.4.1 傅立葉導熱定律穩態時，單位時間內通過垂直截面上的熱流密度q正比于該金屬棒的溫度梯度。(類比水流、電流)負號表示熱量向低溫處傳播；比例系數k稱為熱導率。熱導率單位：J/(m·K·s)金屬： 50~415合金： 12~1204.4.2 熱擴散率〔導溫系數〕和熱阻穩態熱傳導——材料各點溫度隨時間不變化。 dT/dt=0，T僅為x的函數T(x)。非穩態時，T(x,t)。考慮如果棒與外界絕熱，也就是沒有熱交換，那么，初始時自身的溫度不平衡將逐漸隨著時間的流逝而趨于平衡，因為有溫度梯度就會有熱傳導，最終溫度梯度趨于零。導溫系數就是衡量材料導溫(實質是說使得材料溫度從不均勻分布趨于均勻分布)的能力之參數。定性來看，材料熱容對于導溫起阻礙作用；密度也起阻礙作用；而材料的熱導率那么是起促進作用導溫系數的物理意義與不穩定的導熱過程相聯系。不穩定導熱過程，一方面涉及熱量的傳導，一方面涉及溫度的變化。熱擴散率標志著材料溫度的變化速度。α=k/〔dcp〕在一樣條件下，α越大那么物體各局部溫差越小。實際的工程中，人們經常要處理或者選擇保溫材料或熱交換材料。當然導熱系數和導溫系數是重要的依據。除此兩者之外還有就是熱阻，R=ΔT/Φ，其中ΔT是溫度差，Φ是熱流量。熱阻的倒數是熱導類比于Ohm’sLaw,R=U/I來理解這個概念。注意，熱導和熱導率的差異，類似電導和電導率之間的區別。4.4.3導熱的微觀機制固體的晶格離子實只能在其平衡位置附近做小幅振動，與氣體不同，固體不可以靠分子之間的直接碰撞作用來傳遞熱量。雖然不可以直接傳遞熱量，但是各離子實的振動不是獨立的。靠晶格振動的格波〔或聲子〕和自由電子來傳遞熱量，固體的熱導率為兩局部的和。類似于熱容也是由兩局部組成一樣。金屬的熱傳導熱導率和電導率的關系熱導率及其影響因素Ke正比于T，而電導率呢？Wiedeman-Franz定律：給定溫度下金屬的電導率和熱導率比值為常數。但是實質是說自由電子的電導率和熱導率比值為常數。對于金屬，有：顯然，當第二項來自聲子的局部可以忽略時，W-F定律成立。一般是在固體材料的德拜溫度以上熱導率及其影響因素純金屬的導熱性： 熱導率與溫度，金屬的熱導峰； 晶粒的大小； 各向異性； 雜質。合金的導熱性：分有序和無序固溶體來討論。

4.5材料的熱穩定性熱穩定性的表征熱應力抗熱沖擊性能熱穩定性：指材料承受溫度的急劇變化而不致被破壞的能力，也稱抗熱震性。熱應力：僅由材料受熱膨脹或遇冷收縮引起的內應力稱為熱應力。這種應力可以導致材料的斷裂破壞或者發生不希望的塑性變型。對于光學材料將影響其光學特性，光學特性是非常容易受影響的，換句話說光學是檢測材料缺陷等的非常精細的手段。熱應力的來源因為熱脹冷縮受到限制而產生的熱應力因溫度梯度而產生熱應力多相復合材料因為各相的膨脹系數不同而產生熱應力。抗熱沖擊性能抗熱沖擊斷裂性能 三種熱應力斷裂抵抗因子。 斷裂是怎么產生的？ 比較材料所受應力和抗拉強度。4.6材料的熱電性4.6.1 熱電材料的機理4.6.2 熱電效應的應用熱電效應

塞貝克效應(*) 玻爾帖效應 湯姆遜效應功能材料種類繁多兩種不同材料組成回路：回路電流的流向看具體場境。溫度差x較小時，電動勢與之成線性關系4.6.1 熱電效應的機理(1)——塞貝克效應兩種不同金屬材料的自由電子密度不同，當接觸時，在接觸面上就會發生電子擴散。這將與PN結中載流子的擴散形式相似。電子的擴散速率與兩導體的電子密度有關并和接觸區的溫度成正比。注意，低溫端擴散形成電勢差，高溫端也擴散形成電勢差，但是兩者的絕對值是不同的。自由空間中或真空中，兩金屬的EF可能不一致〔ns不同是非常可能的〕，但是接觸后，費米能級取為一樣。設導體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NA＞NB，電子擴散的結果使導體A失去電子而帶正電，導體B那么因獲得電子而帶負電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子繼續擴散，到達動態平衡時，在接觸區形成一個穩定的電位差，即接觸電勢：eAB(T)：為導體A和B的結點在溫度T時形成的接觸電勢；

e：為電子電荷；kB：玻爾茲曼常數大家注意，上面所說的是在某一個接觸點的情況。熱電偶測溫-信號級能量〔功率低〕溫差發電-能源級能量〔功率高〕(2)——珀耳帖效應塞貝克效應：先熱后電；珀耳帖效應：先電后熱。由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上就會發生電子擴散。這將與PN結中載流子的擴散形式相似。電子的擴散速率與兩導體的電子密度有關并和接觸區的溫度成正比。在一樣溫度下，兩個端點處由于電子擴散而形成的電勢差一樣，回路中不會有電流〔合電動勢為零〕。假定：nA>nB,eA<eB電子在一端是由電子能量高處遷往電子能量低處，而在另一端一定是從電子能量低處遷往能量高處。體系的能量升高就對應生熱或溫度變高。溫差發電器In1822,theEstonian–GermanphysicistThomasJohannSeebeck(inset)discoveredthatifheatisappliedacrossthejunctionoftwowires,acurrentisgenerated.Itisthebasisofthermocouples—devicesusedforcooling,andforpowergenerationsuchasintheVoyagermissiontoJupiterandSaturn,seenhereatitslaunchin1977.4.6.2 熱電材料的應用日美專家開發出高效熱電轉換材料

日本大阪大學教授山中伸介和美國科研人員合作開發出一種新型熱電轉換材料，其效率到達常規熱電轉換材料的約２倍。鉛和元素碲的化合物添加少量鉈，在500攝氏度左右的溫度下熱電轉換效率到達百分之十幾，而常規熱電轉換材料的效率只有７％至８％。科研人員說，如果覆蓋納米金屬薄膜，新材料可在更低溫度條件下高效率地發電。在工業生產等領域，大量的熱能往往白白流失掉。如普通汽車引擎產生的能量約有60％在生成熱量的過程中喪失。25JULY2021VOL321p554SCIENCEAninconvenienttruthaboutthermoelectricsCroninB.ViningＮaturematerials|VOL8|FEBRUARY2021據德國?科學畫報?雜志報道，來自德國慕尼黑的一家芯片研發企業研究出的這種新型電池，主要由一個可感應溫差的硅芯片構成。當這種特殊的硅芯片正面“感受〞到的溫度較之反面溫度具有一定溫差時，其內部電子就會產生定向流動，從而產生微電流。負責研發這種電池的科學家溫納·韋伯介紹說，“只要在人體皮膚與衣服等之間有5℃的溫差，就可以利用這種電池為一塊普通的腕表提供足夠的能量〞。1821年，德國物理學家塞貝克〔T.J.Seebeck〕發現，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當兩接觸處的溫度不同時，回路中會產生一個電勢，這就是熱電效應。也稱作“塞貝克效應〔Seebeckeffect〕〞。ThomasJohannSeebeck〔1770～1831〕測溫度用的熱電極材料： 熱電勢與溫度有良好的線性關系； 具有較大的熱電勢系數； 材料的熱電性能可靠； 其他環境因素。ZT=S2T/ρ(ke+kl)種類：化合物半導體特性：無噪音、壽命長、性能穩定用途：主要用于油田、野外、軍事等領域,同時越來越多地應用于小家電制造、儀器儀表、玩具及旅游業等行業。按工作溫度來分類：高溫溫差發電器，其熱面工作溫度一般在700℃以上，使用的典型溫差電材料是硅鍺合金〔SiGe〕；中溫溫差發電器，其熱面工作溫度一般在400℃～