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1、第1章材料的热学性能,第一节晶格振动 第二节材料的热容 第三节材料的热膨胀 第四节材料的热传导,热膨胀：物体的体积或长度在不加外力时随温度升高而增大的现象。 热膨胀系数（thermal expansion coefficient）: 式中，l 为线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的 相对伸长。表示材料热膨胀特性。 物体在温度 T 时的长度lT为：,第三节 材料的热膨胀,一、热膨胀基本概念,平均线膨胀系数：表示tt0温度范围内线膨胀系数 微分膨胀系数:t0，温度t时刻材料真实的热膨胀特性,一、热膨胀基本概念,一、热膨胀基本概念,体膨胀系数：,温度升高1K时物体体积相对增长值。,微分体膨胀系数：,
2、简谐振动是指质点间的作用力与距离成正比，即微观弹性模量为常数。（平衡位置不变，只适用于热容分析。） 非简谐振动是指作用力并不简单地与位移成正比，热振动不是左右对称的线性振动而是非线性振动。 固体材料热膨胀的本质是 源于材料内部的质点(分子或原子)之间相互作用力关于质点平衡位置的不对称性。,二、固体材料热膨胀机理（heat expansion mechanism）,固体材料热膨胀的物理本质：归结为点阵结构中质点（原子或离子）间平均距离随温度升高而加大。 原因：质点在晶格点阵中作非简谐振动，相邻质点间的作用力实际上是非线性的，并不简单地与位移成正比。,晶格质点振动受力分析,双原子势能曲线：与合力变
3、化相对应，两原子相互势能成一个不对称曲线变化。温度上升，势能增高，不对称性越明显，导致振动中心右移，原子间距增大。宏观上表现为热膨胀。,晶格质点振动能量分析,热膨胀现象的数学推导,两原子势能函数,采用玻耳兹曼统计法，忽略更高次项，计算平均位移,体膨胀系数,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的体积膨胀，而晶格振动的加剧就是热运动能量的增大。 热容的定义是升高1k时能量的增量。,格律爱森（Grueisen)定律指出：体膨胀与定容热容成正比，它们有相似的温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大（德拜T3定律），而到高温则趋于平缓。,1.温度（热膨胀系数与
4、热容关系）,金属材料,2结合能、熔点（热膨胀系数与熔点的关系）,随着温度升高，晶格的振动激烈，物体的体积膨胀，到熔点时，热运动将突破原子间的结合力，晶体结构瓦解，物体从固态变成液态。,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,质点间接合力强，升高同样的温度，质点振幅增加得较少，故平均位置的位移量增加得较少，因此热膨胀系数较小。一般情况下，原子间结合力越大，膨胀系数就越小。分析材料的热膨胀特性可以间接地获得有关原子间结合力的信息。,3晶体缺陷,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,格尔茨利坎、荻梅斯费尔德等人研究了空位对固体热膨胀的影响。,空位引起的晶体附加体积变化,辐射空位引起热膨胀系数变化,4结
5、构,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,结构紧密的晶体膨胀系数大，结构空敞的晶体膨胀系数小。这是由于开放结构能吸收振动能及调整键角来吸收振动能所导致的。,各向异性的非等轴晶体，热膨胀系数也是各向异性。,5.铁磁性转变-材料磁性讲述,三、影响固体材料热膨胀系数的一些因素,6.键性,共价键结合晶体的势能曲线具有比离子键结合势能更高的对称性，因此共价键晶体的热膨胀系数比离子键晶体的小。,四、工程材料的热膨胀特性,钢:碳钢加热或冷却过程中发生一级相变时，钢的体积会发生突变.采用膨胀法测定钢的相变温度. 玻璃:玻璃的结构比具有相同化学组成的晶体更加空敞，具有比相同成分晶体更低的热膨胀系数 石英玻璃的热膨胀系数0.5710-6 石英多晶体的热膨胀系数1210-6 陶瓷:陶瓷通常是一种“多晶多相”系统，在陶瓷制品中，要注意各晶体和相之间热膨胀系数的匹配。,实际材料的热膨胀,陶瓷用氧化物材料金属材料高聚物 聚四氟乙烯： l （10-6K-1) 100 金属铁： 11.8 氧化铝： 8.8,自制立式膨胀仪,自制立式膨胀仪（智能型）,卧式膨胀仪,热机械分析仪,谢谢大家！,
