第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院一、熱膨脹定義二、熱膨脹機理三、熱膨脹與其他性能的關系四、影響熱膨脹系數的因素五、熱膨脹系數測定及應用2021/6/271第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院一、熱膨脹定義物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現象稱為熱膨脹。熱膨脹采用線膨脹系數和體積膨脹系數來表示。①線膨脹系數：即溫度升高1K時，物體的相對伸長。用表示。平均線膨脹系數取極限T溫度真線膨脹系數線膨脹系數的單位為K-1。2021/6/272第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院②體積膨脹系數：溫度升高1K時物體體積相對增長值。用表示。對于各向同性的材料，對于各向異性的材料，設各方向線膨脹系數為2021/6/273第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院注意：①固體的熱膨脹系數不是一個常數，通常隨溫度升高而增大；②無機材料熱膨脹系數較小，約為10-5-10-6K-1；各種金屬和合金約為10-5-10-6K-1；鋼的熱膨脹系數(10-20)×10-6K-1；③材料線膨脹系數一般用平均線膨脹系數表征。二、熱膨脹機理在晶格振動理論中，將勢能函數在平衡位置展成級數：2021/6/274第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院按一般簡諧振動把近似互作用能保留到二次項則有rU(r)r0考慮非簡諧效應2021/6/275第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院①受力不對稱溫度升高,振幅增大,質點在平衡位置受力不對稱情況越顯著,平衡位置向右移動越多,相鄰質點間平均距離就增加得越多,導致原子間距增大,晶體膨脹.2021/6/276第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院②位能不對稱溫度升高,平均位置移動越遠,原子平均距離就增加得越多,產生晶體膨脹.此外,晶體中各種熱缺陷的形成也會造成晶格畸變和膨脹,在高溫尤為重要。2021/6/277第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院三、熱膨脹與其他性能的關系1、熱膨脹與熱容的關系由于二者引起的機理一致，故變化趨勢相同。但高溫下由于熱平衡缺陷，造成點陣畸變，故α增大較顯著。Al2O3

的比熱容、線膨脹系數與溫度的關系2021/6/278第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院2、熱膨脹與結合能、熔點的關系其中：Tm—熔點；VTm—熔點時的體積；V0—0K時的體積；C—不同材料的值不同。晶體的結構類型相同時，結合能越大，熔點越高，而α越小。格留乃申方程反映了這種相反的變化趨勢：2021/6/279第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院四、影響熱膨脹系數的因素①鍵強度鍵強度高的材料，具有低的熱膨脹系數；②晶體結構對于成分相同的材料，結構緊密的晶體熱膨脹系數較大，而類似非晶態玻璃結構比較松散的材料，具有較小的熱膨脹系數；③晶軸方向對于非等軸晶系的晶體，晶軸方向不同，熱膨脹系數不同；致密的晶體學方向，α小。如石墨的垂直于C軸的層間膨脹系數較小，而平行于C軸的垂直層的膨脹系數較大；2021/6/2710第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院④相變相變伴隨的點陣重構引起附加的⊿L，而α∝⊿L/⊿T2021/6/2711第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院⑤合金的溶質元素由簡單金屬與非鐵磁性金屬組成的單相均勻固溶體合金的膨脹系數一般介于兩組元膨脹系數之間，且隨溶質原子濃度的變化呈直線式變化。加入錳和錫使鐵膨脹系數增大，而加入鉻和釩使鐵的膨脹系數變小。⑥相組成、合金成分多相合金的膨脹系數僅取決于組成相性質和數量，介于各組成相膨脹系數之間，可近似按各相所占體積百分數，依混合定則粗賂估算。2021/6/2712第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院五、熱膨脹系數測定及應用1、熱膨脹系數測定關鍵是如何將微小的△L放大？①機械放大：利用千分表將將試樣伸長量△L放大。如：頂桿式膨脹儀②光學放大：利用光杠桿，通過光線偏轉角度將試樣伸長量△L放大。如光學膨脹儀。

③電磁放大：將△L轉換為△V以后放大。如差動變壓器法2021/6/2713第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院實驗室中的熱膨脹儀2021/6/2714第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院

光杠桿結構示意圖1.1光學放大：2021/6/2715第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院

差動變壓器膨脹儀結構示意圖左圖：差動變壓器原理圖；右圖：儀器結構圖1.2電磁放大：2021/6/2716第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院2、熱膨脹應用陶瓷和釉的膨脹系數要適應。釉的膨脹系數要小于陶瓷的膨脹系數，但不能小太多。精密儀表零件、電子封裝器件等需要防止膨脹，以提高儀器精度。2021/6/2717第三節熱膨脹聊城大學材料科學與工程學院熱膨脹法確定鋼相變的臨界點研究相變溫度相變時，組織轉變會附加體積效應，從而使膨脹曲線產生拐折。2021/6/2718第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院一、熱傳導定義二、熱傳導微觀機理三、影響熱傳導性能的因素四、熱導率測定及應用2021/6/2719第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院一、熱傳導定義當固體材料一端的溫度比另一端高時，熱量就會從熱端自動傳向冷端，這個現象稱為熱傳導。對于各向同性物質，熱傳導滿足傅里葉定律：xΔST2T1T2>T1熱導率或導熱系數，其物理意義是指在一定的溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積的熱量，單位為J/(m·s·K)或W/(m·K)。2021/6/2720第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院負號表示傳遞的熱量Q與溫度梯度具有相反的符號當＜0時，Q＞0，熱量沿x軸正方向傳遞；＞0時，Q＜0，熱量沿x軸負方向傳遞。注意：傅立葉定律，它只適用于穩定傳熱的條件，即二、熱傳導微觀機理氣體的傳熱是依靠分子的碰撞來實現的，但固體材料中的質點都處在一定位置上，并且只能在平衡位置附近作微小振動，所以不能像氣體那樣依靠質點間的直接碰撞來傳遞熱能。2021/6/2721第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院固體中的導熱主要是由晶格振動的格波、自由電子的運動以及熱輻射來實現。注意：材料不同，導熱方式不同。如對于金屬材料，由于有大量的自由電子存在，所以主要靠自有電子運動實現熱量的傳遞，因此金屬一般都具有較大的熱導率(晶格振動對金屬導熱也有貢獻，只是相比起來是很次要的)。但對于非金屬材料，如一般離子晶體，晶格中自由電子極少，所以晶格振動是它們的主要導熱機制。1、聲子熱導晶格振動格波能量子—聲子2021/6/2722第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院晶格熱振動看成是“聲子氣體”，平均聲子數為：聲子數密度大聲子數密度小擴散低溫區高溫區晶格熱傳導可以看成是“聲子”擴散和碰撞運動的結果。同樣可以利用氣體分子的熱傳導公式來作為晶格熱傳導的公式。CV單位體積熱容，l---聲子自由程，聲子平均速度(常取固體中聲速)。2021/6/2723第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院由于固體熱容和平均自由程都是聲子振動頻率的函數，所以：注意：因為晶格熱振動非簡諧效應的存在，格波間有一定的耦合作用，聲子間會產生碰撞，導致聲子的平均自由程減小。格波間相互作用愈大，聲子間碰撞幾率愈大，相應的平均自由程愈小，熱導率也就愈低，因此這種聲子間碰撞引起的散射是晶體中熱阻的主要來源。2021/6/2724第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院2、光子熱導固體具有能量，會輻射出頻率較高的電磁波，這類電磁波頻譜較寬，其中波長在0.4—40μm間的可見光與部分紅外光稱為熱射線。熱射線的傳遞過程也稱為熱輻射。由于它們都在光頻范圍內，所以熱射線的導熱過程可以看作是光子導熱。理論證明，溫度T時單位體積絕對黑體的輻射能ET為式中：為斯帝芬-波爾茨曼常數；折射率；光速2021/6/2725第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院由于輻射傳熱中容積熱容Cv,m相當于提高輻射溫度所需的能量又輻射線在介質中速度可以發現λ描述介質中這種輻射能的傳遞能力的參量，取決于輻射能傳播過程中光子的平均自由程l。2021/6/2726第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院對于輻射線是透明的介質，l較大，光子導熱率較大；對于輻射線是不透明的介質，l較小，光子導熱較小；對于輻射線是完全不透明的介質，l=0，光子導熱可以忽略。3、自由電子引起的電子熱導大量的自有電子可以看做自有電子氣，與氣體分子通過碰撞導熱的過程類似，其電子熱導率具有如下形式：注意：對于純金屬主要考慮電子導熱，對于合金還要考慮聲子導熱。2021/6/2727第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院三、影響熱傳導性能的因素1、溫度的影響1)高溫時，T>>

D基本與溫度無關，Cv和

與溫度密切相關2)低溫時，T<<

D2021/6/2728第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院因為在實際晶體中存在雜質和缺陷，聲子的平均自由程不會非常大。對于完整的晶體，(D為晶體線度)。低溫時：圖8-15單晶Al2O3溫度－熱導率曲線2021/6/2729第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院由于拐點溫度在40K左右，所以對于晶體材料，在常用溫度范圍內，熱導率隨溫度的上升而下降。2021/6/2730第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院2、晶體結構的影響①聲子傳導與晶格振動的非諧振有關，晶體結構越復雜，晶格振動的非諧振性程度越大，格波受到的散射越大，因此聲子平均自由程l越小，熱傳導率越低。②對于非等軸晶系的晶體，熱導率也存在著各向異性的性質。③同一種材料，多晶體的熱導率總是小于單晶體。2021/6/2731第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院④非晶態材料的熱導率較小，隨著溫度升高，熱導率稍有增大。2021/6/2732第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院3、化學組成的影響①組成元素相對原子質量愈小，楊氏模量愈大，德拜溫度愈高，則熱導率λ愈大；②固溶體的形成同樣降低熱導率；

2021/6/2733第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院4、復相材料的熱導率復相材料中包括連續相和分散相，其熱導率表示如下：式中：分別為連續相熱導率、分散相熱導率和分散相體積分數。在陶瓷材料中，一般玻璃相是連續相，因此，普通陶瓷和粘土制品的熱導率更接近其中玻璃相的熱導率。2021/6/2734第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院5、缺陷的影響①晶體中存在的各種缺陷和雜質會導致聲子的散射，降低聲子的平均自由程，使熱導率變小；②溫度不是太高，氣孔率小，氣孔尺寸小，且均勻分布，氣孔可看做分散相，則

③對于粉末和纖維材料，由于氣孔形成了連續相，其熱導率比燒結狀態時又低得多，因此具有熱絕緣性能。2021/6/2735第四節熱傳導聊城大學材料科學與工程學院四、熱導率測定及應用1、熱導率測定熱導率測量是在導熱系數測定儀上