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1、热容（heat capacity） 热膨胀（thermal expansion） 热传导（thermal conduction） Chapter3 Properties of Materials1 3.3 热性能 Thermal Property Chapter3 Properties of Materials2 定压热容Cp : 等压条件下测定的热容 定容热容CV： 等容条件下测定的热容 3.3.1 热容（heat capacity） 1mol物质升高1K所需要的热量 晶态固体材料的热容，两个经验定律： a) 杜隆-珀替（Dulong-Peoit）定律 - 元素的热容定律： 晶体材料较高温度
2、下： Cp=3R=25 Jmol-1K-1。 极低温度下： CpT3 事实上，除了一些轻元素的热容比上述值要小些外，大部 分元素的原子热容都接近该值，尤其是在高温的情况下更 是如此。 b) 柯普（Kopp）定律 - 化合物的热容定律： 化合物的摩尔热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 即： 固态化合物的摩尔热容 =25n JK-1mol-1 （n为1摩尔固态化合物中元素原子的摩尔数）。 Chapter3 Properties of Materials3 Chapter3 Properties of Materials4 膨胀系数：温度变化1K时材料尺度的变化量。 线膨胀系数l和体积膨胀系数
3、V 3.3.2 热膨胀 thermal expansion 热膨胀系数是固体材料的一个重要的性能参数。在多晶 、多相固体材料以及复合材料中，由于各相及各个方向 的L值不同所引起的热应力问题已成为选材、用材的突 出矛盾。材料的热膨胀系数大小直接与热稳定性有关。 Chapter3 Properties of Materials5 Curve 势能一原子间距离曲线 假想的实际的 热膨胀现象解释 Chapter3 Properties of Materials6 Curve 金属和无机非金属材 料的线膨胀系数较小 ； 聚合物材料则较大。 （范德华力） 键强与热膨胀 膨胀的差异 原子间的键合力越强，则热
4、膨胀系数越小。 膨胀的差异： 结构紧密的固体，热膨胀系数越大。 固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高 ，原子间距离增加时，部分被结构内部空隙所容 纳，宏观膨胀就小。 紧密堆积的氧化物，热膨胀系数大，例如 MgO、BeO、 Al2O3 等 Chapter3 Properties of Materials7 Chapter3 Properties of Materials8 Examples 热量通量q ： 热导率：表征物质热传导性能的物理量：单 位时间通过横截面的热量。 单单位：Wm-1K-1，或 calcm-1s-1K-1 1 calcm-1s-1K-1=4.2102 Wm-1K-1 金属较
5、大，在2.3417.6 Wm-1K-1（ 0.22 Wm-1K-1的材料，称隔热材料） 3.3.3 热传导（thermal conduction） 热量从系统的一部分传到另一部分或由一 个系统传到另一个系统的现象 各种材料的导热率 金属材料有很高的热导率 自由电子在热传导中担当主要角色； 金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响； 晶格振动 无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。 热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。 高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率 随温度升高而增大。 半导体材料的热传导： 电子与声子的共同贡献 低温时，声子是热能传导的主要载体。 较高温度
6、下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。 高分子材料热导率很低 热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差 。 Chapter3 Properties of Materials10 Examples 与热性能有关的应用实例 耐高温陶瓷材料：可用于航天器的喷嘴，喷气发动机 的机页，燃烧室内衬等。要求：耐高温又不氧化，具 有良好的耐腐蚀性和耐磨性 热传导材料： 1）利用低热传导性制造保温材料，服装等，eg： 石棉做热设备的保温隔热材料 2）利用高热传导性制造散热材料，eg: 集成电路的 散热材料，要求具有高导热性和电绝缘性，目前用的 材料主要是氮化物：六方氮化硼（HBN）和氮化铝
7、（ AlN）。 Si3N4是新的研究热点。 Chapter3 Properties of Materials12 导电性 介电性 铁电性 压电性 材料被施加电场时所产生的响应行为 3.4 电性能 Electrical Property Chapter3 Properties of Materials13 2.1.3.5 Electrical property 3.4.1 导电性能 Electrical Conductivity 金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等 ） 陶瓷：绝缘体、半导体 高分子材料：绝缘体、半导体、导体 其它：硅、锗（半导体），石墨（导体） Chapter3 Proper
8、ties of Materials14 2.1.3.5 Electrical property 电阻： 电阻率： 电导率： = 1/ = nZe 要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目 （n）和使载流子更易于流动（增大 值）。 Chapter3 Properties of Materials15 2.1.3.5 Electrical property 能带理论（Band Theory） 能带的形成 Chapter3 Properties of Materials16 2.1.3.5 Electrical property 各种材料的能带结构 半导体： Chapter3 Prope
9、rties of Materials17 禁带（forbidden band )不太宽，热能足以使满 带中的电子被激发越过禁带而进入导带，从而 在满带中留下空穴，在导带中增加自由电子， 它们都能导电。 增加导电性的方法： 1. 升高温度 2. 掺杂：掺五价的P、As、Sb，n-型半导体； 掺三价的B、Al、Ga、In 等，p-型半导体 2.1.3.5 Electrical property 3.4.2 介电性能 Dielectric Property 介电质： 凡是在电场作用下，不传导电流，能产生极化 的一切物质又被称之为电介质。 介电质两种功能： 一作为绝缘体，二作为电容； 在电子工业中用来
10、做集成电路的基板、电容器等。 对静电能的储备和损耗是由于在外电场作用下产生极化 。 极化： 将原子或分子置于电场下，就会发生电子云中心 的偏移，即电荷的重新排布 介电性： 在电场作用下，材料表现出来的对静电能的储备和损耗的性质 Chapter3 Properties of Materials19 材料极化 Chapter3 Properties of Materials20 2.1.3.5 Electrical property 电容C（capacitance）电荷量q与电压V的比值： 平板电容计算： C = (A/L) ：介电常数，表示在单 位电场中，单位体积内积 蓄的静电能量的大小。表 征
11、材料极化和储存电荷的 能力；是个宏观物理量。 C=q/V 材料的介电常数通 常以相对介电常数r 表示： r=/0 介电强度 一定间隔的平板电容器的极板间可 以维持的最大电场强度，也成击穿电压。 介质损耗 置于交流电场中的介质，以内部发 热(温度升高)形式表现出来的能量损耗。用介 电损耗角正切tg表示。 Chapter3 Properties of Materials21 高分子材料的由主链结构中的键的性能和排列所决定 。 -分子结构极性越强, 和tg越大. -非极性材料的极化程度小,和tg都较小. -极性取代基团影响更大,其数目越多, 和tg越大 Chapter3 Properties of
12、Materials22 (2) Dielectric Property 某些介电材料的性能 介电性的应用 tg 大，损耗大，材料发热。 电容介质 大，tg 小 作绝缘材料或电容器材料的高聚物,介电损耗越小越好 航空航天材料 小，tg 大，静电小 高频焊接：薄膜封口，tg 大 需要通过高频加热进行干燥,模塑或对塑料进行高频焊 接时,要求高聚物的介电损耗越大越好. 高频电缆用PE(非极性)而不用PVC (极性) Chapter3 Properties of Materials23 Chapter3 Properties of Materials24 (3) Ferroelectricity 3.4
13、.3 铁电性与压电性 Ferroelectricity and Piezoelectricity 铁电滞后现象 铁电性材料在除去外电场后仍保持部分极化状态 Chapter3 Properties of Materials25 居里温度Tc ： 高于居里温度，铁电性消失 （Curie temperature） 铁电性的改变通常是由于在 居里温度下晶体发生相变。 Chapter3 Properties of Materials26 (4) Piezoelectricity 压电性 Piezoelectricity 外力 极化 电压压电效应 Chapter3 Properties of Materi
14、als27 (4) Piezoelectricity 常用的压电陶瓷：BaTiO3 、PbTiO3、PbZrO3 、 NH4H2PO4 （a）施加一定电压 （b）施加压力，产生反向电压，导致两端电压下降 （c）施加较大电压，材料产生变形 （逆压电效应） Chapter3 Properties of Materials28 使物质具有磁性的过程称为磁化。 能够被磁化的或能被磁性物质吸引的物质叫做磁性物质或磁介 质。 Hm：磁化强度 magnetization m：磁化率 magnetic susceptibility 衡量材料磁性的无量纲值纲值 3.5 磁性 Magnetic Property
15、Chapter3 Properties of Materials29 反磁性（diamagnetism）： 感应磁化方向与外磁场方向相反 m 0 l0-3-10-6 数量级 - 过渡金属mT-1（居里定理） 一些非过渡金属（例如Al）。 m与T无关 磁场撤去后 磁效应消失 3.5.2 磁性的种类 Chapter3 Properties of Materials30 铁磁性（ferromagnetism） - 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。 m是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。 - 具体金属有铁、钴、镍等。 两个特征： 在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态 。 铁磁居里温度：高于该温度后变成顺磁体。 ferromagnetic Curie temperature 反铁磁性（antiferromagnetism） 在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。 Mn、Cr 反铁磁性（MnO ） Chapter3 Properties of Materials31 铁氧体磁性（ferrimagnetism），也称亚铁磁性 不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁
