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1、材料物理性能无机材料专业1无机材料的热学性能无机材料热学性能包括:n热容n热膨胀n热传导n热稳定性n熔融和分解物理本质n晶格的热震动：质点围绕平衡位置作微小震动n这些是固体物理学在无机材料热性能方面的具体表现无机材料的热容(Heat capacity)n定义：C=Q/T物体温度升高1K需要的能量，比热容：J/(Kg)摩尔热容：J/(K mol)平均热容：Q/(T2-T1)n恒压热容Cpn恒容热容CvnCp和Cv的关系根据热力学第二定律得到：体膨胀系数，：压缩系数，V0：摩尔容积晶态固体热容的经验定律n元素的热容定律-杜隆-珀替定律：元素的恒压的原子热容是25J/(K mol)n化合物的热容定律
2、-柯普定律：化合物分子热容是元素原子热容的总和n他们的基础：质点热震动在没有相互干挠时可以相互叠加，容量性能晶态固体热容的量子理论n是固体物理学的内容，在教材中有在比较低的温度，Cv=AT3Above Debye temperature, Cv=3R无机材料的热容n材料的热容和温度关系由实验决定，一般采用如下经验公式(这在今后的工作及研究中十分常见，如热力学计算)：无机材料的热膨胀(Thermal expansion)n热膨胀系数 当温度升高，材料的体积或者长度增大nl：线膨胀系数，无机材料l的数量级在10-5-10-6/Kn实质：原子的热振动n无机材料的热导率小于金属材料和高分子材料n体膨胀
3、系数和线膨胀系数可以根据基础的物理和数学知识推导。如立方体是：v3ln当材料在使用中有明显温度变化，热膨胀系数是材料非常重要的性能，热应力是由于热膨胀系数不同n电子材料的封装在热膨胀系数的选择是非常重要的 n晶体材料注意不同方向的热膨胀系数的差别热膨胀和其他性能的关系n和结合能及熔点关系 结合能高，熔点高，材料中质点的热振动受温度的影响小，材料的热膨胀系数也小n和温度关系 是温度的函数。一般地，温度升高，热膨胀系数升高n和结构关系 结构致密，热膨胀系数大，而玻璃的小，因为结构内的“空隙”问题多晶体和复合材料的热膨胀n无机材料是晶体和非晶态材料的复合体，其热膨胀实际是它们的热膨胀性能之复合n晶态
4、材料的热膨胀有方向性(各向异性)将影响计算的方法或者方式n各向同性的计算按复合材料的方式计算不同材料的匹配问题n电子材料的封接一定考虑热膨胀系数的匹配n材料设计时需要考虑利用材料的热膨胀的利弊.n陶瓷材料的增韧问题,可以利用材料的热膨胀产生预应力n陶瓷制品表面的釉的热膨胀系数小于陶瓷胚体的热膨胀系数n合适的热膨胀系数是材料制备和性能中重要的因素例题n一根1m长的Al2O3 炉管从室温 (25oC)加热到1000oC时，假使在此过程中，材料的热膨胀系数为8.810-6 mm/(mmoC) ，计算管的膨胀量是多少？解答n根据上面的公式，有：Homeworkn教材第169页第二题n下次课交。无机材料
5、的热传导(Thermal Conductivity)n无机材料的导热性能差别非常大，陶瓷材料中有优良的导热性能良好的导热材料，或者具有优良的绝热性能是优良的绝热材料n本质：晶格振动的格波和自由电子的运动n其机制和扩散中的机制相近，也符合Fick定律热传导的宏观表征n热量从温度高的地方向温度低的地方传导热力学的自发过程，这是热传导现象热传导方程，：热传导系数n热传导系数物理意义：单位温度梯度下，单位时间通过面积的热量，单位：W/(m2k)或者J/(m2sK)n方程是稳定过程的方程n非稳定过程的热传导方程是： 热传导的微观机理n本质：晶格振动的格波和自由电子的运动n金属中有大量自由电子，所以金属的
6、热传导性能好n其他结合键(共价键和离子键)主要是晶格振动的格波，而自由电子的贡献非常小n晶格振动的格波是晶格振动的相互影响，达到平衡，实现热量的传递声子和声子热传导n格波类似在固体中传播的弹性声波，其量子化是声子n格波在固体中传播是声子的传播，格波和物质作用是声子和物质的作用，热传导是声子的热传导n固体的热传导的方程是光子热传导n材料中除了声子的热传导，还有热辐射光子的热传导n当材料中存在温度梯度，相邻体积间温度高的体积元辐射能量高，接受的能量低，而温度低的体积元与之相反，能量产生转移，实现热量的光子热传导n一般地，陶瓷材料的光子热传导是在温度相当较高时，作用才明显影响热导率的因素n温度：是温
7、度的函数 温度不太高，主要是声子的热传导，温度较高，光子的热传导作用才明显。n看教材的图3.13和图3.14n耐火材料中氧化物多晶材料在实用温度范围内，T升高，热导率降低。看图3.15显微结构的影响n晶体结构的影响：晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大，声子平均自由程较小，热导率较低nMgAl2O4的热导率低于MgO或者Al2O3各向异性晶体的热导率n晶体的各向异性，热导率也是各向异性n温度升高，各向异性的热导率的差别减少，因为晶体随着温度升高，晶体的结构的对称性更好多晶体和单晶体的热导率n同一物质，多晶体的热导率比单晶体的热导率小。因为多晶体的晶界使得声子受到散射，热导率变小n看图3.1
8、6非晶体的热导率n非晶态的结构特点是：近程有序，远程无序。声子理论近似计算：n在中低温（400-600K）：光子导热贡献很小，热容变大，所以材料的热导率增加n在中高温（600-900K），声子热容基本不变，声子热导率基本不变，但光子热导率有增加n高温（高于900K），声子热容基本不变，但光子导热明显增加，材料的热导率增加n看图3.17实际无机材料的热导率n实际无机材料由晶体和非晶体组成，三种情况：n见教材143页化学组成的影响n质点的原子量小，密度小，扬氏模量大， Debye temperature高，热导率大n缺陷将降低材料的热导率，如多晶界，固溶等气孔的影响n无机材料中气孔对热导率的影响复
9、杂n气孔可以作为一相，也可能是简单影响n气孔一般降低材料的热导率n在材料制备时，设计和制备均匀的纳米气孔是现在材料科学研究领域的一个方向材料的实际热导率n按实际测量为准n材料的导热性能在材料有比较大温度变化或者温度梯队时必需要考虑n在要求不高时，可以采用近似值代替例题n计算当温度从150oC 到25oC时，经过导热系数为15.0J/(s m K)，厚度为10mm的 MgAl2O4 尖 晶 石 材 料 的 稳 态 热 导 率 是 多 少J/m2s。Solutionn由上面的公式 3.41,nOver this temperature range (from 150 to 25oC) , givi
10、ngn由于 K 和 oC 二者单位的一致性，所以有：无机材料的热稳定性(Thermal Shock)n热稳定性： 材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性n由于无机材料使脆性材料，材料的热稳定性能比较差n分成二种：材料在瞬时断裂抗热冲击断裂性，热冲击作用，材料表面开裂、剥落直到材料被破坏抗热冲击损伤性无机材料的热稳定性实质n热稳定性包括热膨胀和导热二方面，见下面的示意图： n T1 T2T1 T1 T2T1 T2热稳定性的表示方法n温度差n热循环次数n热循环后的强度损失n均是直观的评价方法，其基础是强度-应力热应力n定义： 材料在热膨胀或者收缩产生的内应力n材料在循环时有热应力，在
11、多相材料中，由于不同相的热性能不同，也有热应力产生，温度梯度也将产生热应力n热应力的计算按力学的知识计算，现在比较多在实际材料的设计、性能评价及材料失效方面主要应用计算机，模型是有限元法例题n一根1m长的Al2O3 炉管从室温 (25oC)加热到1000oC时，假使在此过程中，材料的热膨胀系数为8.810-6 mm/(mmoC) ，材料的弹性模量是E=370103MPa，计算管在膨胀过程中的热应力是多少？解答n根据前面的公式，有：n热应力实际是材料膨胀的应力，有：n=En所以， =(370103MPa) (8.58 10-3)n =3170MPa抗热冲击断裂性能n第一热应力断裂抵抗因子R n评
12、估的基础：材料中的热应力不大于材料的强度n不足：将问题绝对化，没有考虑材料的性能、应力的分布、产生的速率和时间等第二热应力断裂抵抗因子Rn在第一因子的基础上改进，考虑了其他因素，具体见教材第155页n单位是：J/(cms)n注意其应用冷却速率引起的温度梯度和热应力n冷却速率的不同引起不同的温度梯度n温度梯度形成热应力，热应力将影响材料的热稳定性n第三热应力因子抗热冲击损伤性n基础是应变能-断裂能n因为材料内的气孔、晶界、杂质及缺陷等,使得强度-压力理论不准确n二个抗热应力损伤因子，2eff断裂表面能提高抗热冲击断裂性能的措施n提高材料确度，减少弹性模量E，提高/E。实质是提高材料的柔韧性n提高
13、材料的热导率，使得R提高n减少材料的热膨胀系数n减少表面热传递系数hn减少产品的有效厚度无机材料的熔融和分解n晶体的熔点与结合能n熔点定义，见教材。晶体有准确的熔点n本质是质点的热运动n产生熔化和材料化学键的强度密切相关 间隙相的熔点n什么是间隙相n主要是氮化物，碳化物和硼化物n一般有较高的熔点和硬度，是高温材料或者超硬材料n性能特殊，是现在材料科学与工程中重要的组成部分升华和分解n材料的三相点的饱和蒸气压高于大气压，在大气压下，材料没有熔化，而直接变成气态-升华n材料在高温下条件变化容易升华，如氧化镁n材料的分解n本质和材料的结合键及质点热振动有关Homeworkn教材第169页第四和五题n下次课交。
