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1、第三节 材料的热性能,一、材料的热容,1、经典热容理论,2、爱因斯坦热容模型,3、德拜热容模型,二、材料的热膨胀,二、材料的热膨胀,1、热膨胀系数,所有材料都有热胀冷缩性,平均线热膨胀系数：,热膨胀系数,温度 T1 时的试样长度；,温度 T2 时的试样长度,平均体热膨胀系数：,温度 T1 时的试样体积；,温度 T2 时的试样体积,热膨胀系数一般是温度的函数,线热膨胀系数和体热膨胀系数,2、热膨胀的起因,温度 T 时的线热膨胀系数：,温度 T 时的体热膨胀系数：,热膨胀系数是工程上重要的物理参数之一：,许多材料的线热膨胀系数是各相异性,各向同性材料（立方系）：,材料间的封接，真空系统中要求材料的
2、热膨胀系数相近、否则易漏气；多晶、多相的复杂结构的材料中，各相、各方向膨胀系数的不同会引起热应力,热膨胀的本质：,原子平均距离随温度的增大,起因于：,原子间作用力随距离非线性变化、原子的振动是非简谐振动,距离,力,引力,斥力,合力,平衡位置 (合力为零)的两侧合力曲线的斜率不等,0,原子相互作用势能曲线,势能曲线关于 处的虚线不对称,原子间作用力,作用力和势能曲线的斜率较大；,作用力和势能曲线的斜率较小；,0,3、影响热膨胀因素,0,原子振动时的平均距离：,温度越高、振幅越大，原子在平衡位置两侧受力的不对称越显著，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
3、子平均间距随温度的变化：,热膨胀与结构有关：,非晶材料属液相结构，材料的热膨胀除起因于原子间距的增大外、还与材料中的自由体积（未被原子占据的空穴）的膨胀有关,热膨胀与原子结合键有关：,结合键强、热膨胀小,离子键、共价键结合的材料：热膨胀小；,以共价键和范德瓦尔斯结合的聚合物：热膨胀系数最大,金属键：具有中等的热膨胀系数；,三、材料的导热性,1、傅里叶导热定律,材料温度不均匀时，或两温度不同的物体相接触时，热量自动从高温区向低温区传递,热传导：,均匀金属棒的两端分别与两恒温热源接触,热平衡时各处的温度不随时间变化,稳态,热流密度：单位时间内通过与热传导方向垂直的,单位面积的热能,通过金属棒的热流
4、密度：,负号：热能从高温向低温传递,热导率，,单位：,热导率反映材料的导热能力、不同材料的导热能力差异很大,绝缘材料：,金属：,合金：,非金属：,2、热传导机理（微观机制）,固体的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（晶格振动的晶格波）和自由电子,固体热导率：,声子热导率,电子热导率,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、金属的热导率,金属主要热载流子 自由电子 （电载流子）,热导率和电导率间的联系：,不太低的温度下,（Wiedemann Franz 首先发现）,金属热导率与电导率之比正比于
5、温度,洛仑兹系数 (Lorentz number),理论值：,b、合金的热导率,如同合金的电导率比纯金属的电导率，,合金,金属,原因：合金中的自由电子受合金晶格、,杂质、非均匀相的散射强烈,10,20,30,40,组成，,热导率,Cu Zn 合金热导率随Zn 含量的变化,Zn 含量增加、热导率下降,c、非金属 （ 陶瓷）、聚合物的热导率,传递热量的热载流子主要是声子,陶瓷的组成和结构远比金属复杂：,除晶相、还包括玻璃相及一定的空隙,声子在传播时受原子构成高度无序的不均匀相的强烈地散射,热的不良导体、热导率远小于金属,陶瓷中的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
6、料,四、材料的热应力,材料热胀或冷缩引起的内应力,热应力：,引起材料塑性变形、特性变化、甚至断裂,热应力主要来源下列三个方面：,1、热胀冷缩受到限制产生的热应力,均质、各向同性的棒，受到均匀加热或冷却、棒内不存在温度梯度,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、线性相对变化量,加热时,棒受压缩应力作用；,冷却时,棒受拉伸应力作用,2、温度梯度产生的热应力,材料受热或冷却时，内部温度分布与其形状、大小及热导率，和温度变化率有关,3、多相复合材料中各相膨胀系数不同引起的热应力,材料中若有温度梯度，引起热应力,例：材料被从外部迅
7、速加热或冷却：,加热：表面比内部温度高、表面膨胀比内部大，相邻的,内部限制表面的自由膨胀，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,不是机械力的约束、而是各相间膨胀、收缩的相互制约引起,第四节 材料的光学性质,光在高科技的地位不断提高，电子器件和光子器件融合、光集成器件是重要的研究方向,一、光的属性、光与物质的作用,1、光的属性回顾,光的波动性与粒子性,有些情况波动性占主导地位；有些情况粒子性占主导地位,波动性与粒子性的联系方程：,光子能量,通常意义的光 可见光：,电磁破,光（电磁）波 横波，两个振动矢量：,电场强度,传播方向,磁场强度,电磁波在真
8、空中传播速度：,电磁波在介质中传播速度：,介质的相对介电常数和相对磁导率,2、光与物质的作用,从一种介质（空气）入射另一种介质的光成为四部分：,反射、透射、散射、吸收部分,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,b、电子能态转变,光与物质间作用的实质,光子与物质中的原子、离子、电子间的相互作用,两种主要作用：电子极化和电子能态变化,a、电子极化,光波中电场分量对物质的作用远大于磁场分量的作用,光波的交变电场引起的电子位移极化,电子极化:,电子极化吸收部分光能、引起光速减小、导致光的折射,光子的吸收或散
9、射一般涉及电子能态的转变,光子因被吸收或被散射而消失或改变方向和能量；电子因吸收光子的能量而被激发到高能态,孤立原子吸收光子的情况：,频率为 的入射光子,能量,E2 能级上的电子只有吸收能量为,的光子，才能到达 E4 能级,孤立原子能级是分立能级，电子对吸收光子的能量有严格的要求,电子能级,晶体吸收光子的情况：,晶体中、原来孤立原子的分立能级被准连续的能带所取代,孤立原子,晶体,易于实现,跃迁条件,跃迁辐射：激发的逆过程,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、金属的光学特性,入射光子,能量,费米能级,满态,空态,金属的光学性质与金属的能带密切有
10、关,费米能级以上为准连续的空能级；以下为充满电子的准连续的能级,（绝对零度下）,除高频电磁辐射 射线、 射线外，几乎所有的低频辐射光子（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,任意光子 总能找到一个空能级 E、满足跃迁条件：,以下的占有电子能级,金属不透明， 厚的金箔几乎可吸收全部入射光子,满态,空态,发射光子,反射光：光激发的电子的跃迁辐射光,大多数金属的反射系数：,入射光中仅一小部分在金属表面层内以热的形式损耗掉,金属的颜色：,不是由吸收光的波长决定、而是由反射光的波长决定,日光照射下大多金属呈现银灰色,有色金属：反射光中该颜色波长的可见光成分多,三、非金属的光学性质,
