材料物理化学课件
材料物理与化学
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2
在很低和较低的温度时，热容与绝对 温度的三次方成正比。在德拜温度以上， 热容基本不变。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.3.2 声子平均速度与温度的关系
声子速度与弹性模量和密度有关，温度 对它们有影响，但影响不大。可以近似认 为与温度无关。
2.3.3 声子平均自由程与温度的关系
2.4 光子导热机理 较高频率的电磁辐射所产生的导热过程 称为光子导热。 1 pt Cv pt V pt l pt 3
速度和平均自由程不变。热容与温度三 次方成正比，但只有到温度足够时才比较 显著。
3. 各类材料的导热性能
各类材料的导热性能是该种材料中各 种微观粒子导热——分子导热、电子导热、 声子导热和光子导热的总和。所以所有材 料导热系数的通式可表示为：
T>>T*时
3 * 2 3 1 T Cve 1 R 2 6 2 T
其中，T*为自由电子的特性温度
2.2.2 电子平均速度与温度的关系
电子的平均速度依赖于电子的动能。电 子的动能Ee为：
1 2 RT 2 Ee 1 4
2.2.4 电子导热与温度的关系
（1）很低温度 平均速度与温度无关，平均自由程与温 度无关，热容与温度成正比。所以导热系 数与温度成正比。 （2）中等温度 电子运动的平均速度仍为常数，热容也 仍与温度成正，平均自由程与温度成反比。 所以中等温度时导热系数不随温度变化， 接近一常数。
（3）很高温度 电子运动平均速度与温度的平方根成正 比，平均自由程与温度成反比，热容接近一 常数。所以导热系数随着温度增加而略有减 小。
材料物理化学9
这时候存在两种情况： （1）当热起伏较小时，形成的颗粒太小，新生相 的颗粒度愈小其饱和蒸汽压和溶解度都大，会蒸发 或溶解而消失于母相，而不能稳定存在。 我们将这种尺寸较小而不能稳定长大成新相的区域 称为核胚 核胚。 核胚 （2） 热起伏较大，界面对体积的比例就减少，当 热起伏达到一定大小时，系统自由焓变化由正值变 为负值，这种可以稳定成长的新相称为晶核 晶核。 晶核
一、晶核生长 （一） 晶核形成的热力学条件
均匀单相并处于稳定条件下的熔体或溶液，一 旦进入过冷却或过饱和状态，系统就具有结晶的趋 向。 △G=△G体（-）+△G表（+）=V△GV+AγLS (1) △ ） △ ） 设恒温、恒压条件下，从过冷液体中形成的新 相呈球形，球半径为r，
4 3 ∆Gr = πr ∆GV + 4πr 2γ LS 3
（三） 非均态成核速率
多数相变是不均匀成核， 多数相变是不均匀成核，即成核在异相的容器 界面、异体物质(杂质颗粒 杂质颗粒)上 内部气泡等处进行。 界面、异体物质 杂质颗粒 上、内部气泡等处进行。 如图5所示，核是在和液体相接触的固体界面上 图 生成的。这种促进成核的周体表面是通过表面能的 作用使成核的势垒减少的。
这就是晶体生长速率方程。引入扩散系数D 的表示 公式，简化得：
f ∆S∆T ∆G u = − × D× = −AD λ KT KT
结论： 结论：
生长速率u与扩散有关。如图6所示。 1）温度越低，扩散系数越小，生长速率也就越小， 并趋于零。所以当过冷度大，温度远低于平衡温 度Tm时，生长速率是扩散控制的。 2）当温度接近于Tm时，扩散系数变大，这时，u 值主要决定于两相的自由焓差△G 。当T=Tm时， △G=0，u=0。因此，生长速率在低于Tm的某个 温度，会出现极大值。不过，这个温度总是高于 具有最大成核速率的温度。
《材料物理化学》PPT课件
什么是材料科学？
材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、 热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边 缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、 热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的 组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、 化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共 性的一门学科。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、 硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。
3. 有机高分子材料（高聚物）
高聚物是由一种或几种简单低 分子化合物经聚合而组成的分子量 很大的化合物。高聚物的种类繁多， 性能各异，其分类的方法多种多样。 按高分子材料来源分为天然高分子 材料和合成高分子材料；按材料的 性能和用途可将高聚物分为橡胶、 纤维、塑料和胶粘剂等。
特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高 纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制 形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。
特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅 酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、 锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、 非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、 金属玻璃等）以及光学纤维等。
复合材料的种类繁多，目前还没有统 一的分类方法，下面根据复合材料的三要素 来分类。按基体材料分类，有金属基复合材 料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合 材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等； 按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合 材料；依据复合材料的性能可分为结构复合 材料和功能复合材料。
0.1.2 根据材料的性能分类
功能材料是具有优良的电学、磁学、光 学、热学、声学、力学、化学和生物学 功能及其相互转化的功能，被用于非结 构目的的高技术材料。
第二章 多相反应过程 无机材料物理化学 教学课件
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第一节 引言
对陶瓷材料的合成，开始认为主要是通过固态物质间 的反应。对固态物质间的反应最早下的定义是:（泰曼）
结晶质的反应颗粒在无任何液相或者气相参与下相互 间直接作用进行的反应称为固相反应。 泰曼的观点可归纳为以下三点: (1)固态物质间的反应是直接进行的，气相或液相对过程没 有或不起重要作用。 (2)固相反应的开始温度远低于反应物的熔融温度或系统的 低共熔温度，而且不同物质的固相反应温度与其熔点Tm之 间存在着一定关系。
将反应混合物Fe2O3+ZnO加热到不同温度。然后迅速冷却 下来综合研究其状态，提出相界面上化学反应可分六个阶 段: 1. 隐两蔽种期不同粉料A，B混在一 起，颗粒之间仅仅是点接触(图 (a))，AB晶格中的质点是互相 分离的。经过加热以后，颗粒 之间接触更加紧密，由点接触 变成面接触(图b)。
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第二节 多相反应机理
– 例如对于金属为0.3～0.4Tm，硅酸盐0. 8～0. 9Tm。
(3)当反应物之一存在有多晶转变时，则转变温度通常也是 反应开始变为显著之温度，这一规律称为海德华定律。
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第一节 引言
➢ 随着研究的深入，发现许多固相反应的实际速度比泰曼理 论计算的结果为快。金斯特林格等人提出在固相反应中气 相和液相将起着很重要的作用。于是这一概念又发展为： 由结晶质反应物出发并获得结晶物质的产物，这过程中可 以出现气相和液相，并对反应的进程起到重要作用。
B表面上的离子移动相互接触，形成晶格极 不正常的化合物AB，但由于温度不够高， 离子没有能力扩散到对方晶格内部，这一 阶段各颗粒相互接触的表面处于一个混乱、 不稳定和疏松的状态，因此在宏观上表现 出极大的活性和吸附能力（图c）。
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材料物理化学固体中的扩散课件
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• 1.空位扩散系数和间隙扩散 系数
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D 1 fr 2 6
Da02NV
• 1）.空位机构－空位扩散系数
• T下空位浓度 本征空位NV’+非本征空位NI
• T频下率N，Vν'0成 和n 功N 迁v跃 移e过活xp势化(垒能G 的ΔfG跃/m2迁有RT 频关)率ΔGν与f－空原位子形振成能动
• 试作出lnD-1/T图，为什么曲线有转折？
• 这便是由10于-11 两种扩散的活化能差异所致，弯 曲或转折相当于从受杂质控制的非本征扩散 向本征扩散的变化
10-13
1.00 1.20 1.40 1.60
103/T(K-1)
实测掺Ca2＋ NaCl的扩散系数－温度曲线
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11
10－11
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将[VM’’] 代入空位机制D表达式中，则得非化 学计量空位对金属离子空位扩散系数的贡献
D a02 NV D va 0 2 v0ex p ( R S m )ex p ( R H T m )N V
[V M '' ](1 4 )1 3P O 1 2 6ex p ( G 03 R T )
1.金属离子空位型
Fe1－xO（5-15％）
2.氧离子空位型
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• 1. 金属离子空位型 Fe1-xO 造成这种非化学计量空位的原因往往是
环境中氧分压升高迫使部分Fe2+、Ni2+、 Mn2+等二价过渡金属离子变成三价金属离 子，如：
2M M1 2O 2(g)O OV M '' 2M M •
材料物理化学-第九章 固态相变
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四、按动力学分类 若按动力学特征进行分类，固态相变中的扩散型相变可分为： (1)脱溶转变，这是由亚稳定的过饱和固溶体转变为一个稳定的或亚稳定的 脱溶物和一个更稳定的固溶体，可以表示为： 。 (2)共析转变，共析转变是指一个亚稳相由其它两个更稳定相的混合物所代 替，其反应可以表示为：
2
1 / T2ຫໍສະໝຸດ P 2 / T
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P
； ；
2
1 / T P 2 / T P
2
（9－2）
上面一组式子也可以写成：
材料物理化学
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1 2 ； S 1 S 2 ；V 1 V 2 ； C P 1 C P 2 ； 1 2 ； 1
间的界面能。通常是以低指数的、原子密度大的匹配较好的晶面彼此平行，构成 确定位向关系的界面。通常，当相界面为共格或半共格时，新相与母相必定有位 向关系；如果没有确定的位向关系，则两相的界面肯定是非共格的。 (8)为了维持共格;新相往往在母相的一定晶面上开始形成。这也是降低界面 能的又一结果。 应特别指出，温度越低时，固态相变的上述特点越显著。 二、马氏体转变 马氏体(Martensite)是在钢淬火时得到的一种高硬度产物的名称， 马氏体转变 是固态相变的基本形式之一。在许多金属、固溶体和化合物中可观察到马氏体转 变。 一个晶体在外加应力的作用下通过晶体的一个分立体积的剪切作用以极迅速 的速率而进行的相变称为马氏体转变。这种转变在热力学和动力学上都有其特
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1 / T P 1
2 / T
P
（9－1）
《无机材料物理化学》（2）
《⽆机材料物理化学》（2）第六章相平衡 P167§6-1 硅酸盐系统相平衡特点⼀、热⼒学平衡态与⾮平衡态（⼀）平衡态的特征与条件1．平衡态的特征2．条件——要达到平衡，在研究中（⼆）硅酸盐系统的特点（三）相图的指导意义⼆、硅酸盐系统中的组分、相及相律1．相律2．⾃由度数（F）3．相（P）4．凝聚系统的相律§6-2 单元系统⼀、⽔型物质与硫型物质（⼀）单元相图回顾（⼆）⽔型物质与硫型物质相图特征⼆、具有多晶转变的单元相图1．相区——4个；2．界线——5条（BF—晶转线）3．点——2个；（B点—晶转点）三、SiO2系统（⼀）相图简介1．各点、线、⾯的含义2．晶型转变点（⼆）SiO2多晶转变特点（三）多晶转变对⽣产的影响1．各种转变产⽣的体积效应2．体积效应对⽣产的影响（四）SiO2相图应⽤意义四、ZrO2系统 P173（⼀）最简单⼆元相图1．相图特征2．各点线⾯的含义3．析晶路程分析4．杠杆规则及应⽤（⼆）⽣成化合物的⼆元相图1．⽣成⼀个⼀致熔化合物的⼆元相图2．⽣成⼀个不⼀致熔化合物的⼆元相图3．⽣成⼀个固态分解化合物的⼆元相图（三）具有多晶转变的⼆元相图（四）⽣成固溶体的⼆元相图1．形成连续固溶体的⼆元相图2．形成有限固溶体的⼆元相图（五）形成⼆液分层的相图1．相图特征： P182图6-17 2．析晶路程： P182⼆、实际⼆元相图举例（⼀）分析⼆元相图的⼀般⽅法（⼆）Al2O3-SiO2相图1．相图特征 P184图6-202．相图应⽤及意义（三）MgO-SiO2相图1．相图介绍 P186图6-212．相图应⽤及意义三、凝聚系统相图测定⽅法 P186§6-4 三元系统 P188⼀、三元相图概述（⼀）组成表⽰法1．浓度三⾓形2．读数⽅法（⼆）浓度三⾓形中组成变化的规则1．等含量规则2．定⽐例规则3．背向性规则（四）重⼼原理1．重⼼位规则2．交叉位规则3．共轭位规则（五）最简单三元系统⽴体图与投影图1．⽴体图 P192图6-302．平⾯投影图3．温度表⽰法4．析晶路程分析 P192图6-30（C）（1）在初晶区内的析晶（2）在界线上的析晶（3）在三元⽆变点上的析晶（4）各相量的计算⼆、三元相图的基本类型（⼀）⽣成⼀个⼀致熔⼆元化合物的三元相图1．相图特征 P194图6-322．相图分析（⼆）⽣成⼀个不⼀致熔⼆元化合物的三元相图1．相图特征2．分析三元相图的⼏个重要规则（1）连线规则（2）切线规则（3）重⼼原理（4）三⾓形规则（5）划分副三⾓形的原则与⽅法3．析晶路程分析4．熔融（加热）过程分析（1）加热过程分析的⽬的（2）分析⽅法（三）⽣成⼀个固态分解的⼆元化合物的三元相图 P200图6-35 1．相图特征2．过渡点（R）的特性（四）⽣成⼀个⼀致熔三元化合物三元相图 P200图6-361．相图特征（五）⽣成⼀个不⼀致熔三元化合物的三元相图1．具有双升点（单转熔点）的类型2．具有双降点（双转熔点）的类型（六）其他类型简介1．具有多晶转变的相图 P202图6-392．形成⼀个⼆元连续固溶体的相图（1）相图特点（2）析晶路程分析⽰例3．具有液相分层的相图 P202图6-41（七）分析三元相图⽅法与步骤归纳1．怎样判读三元相图2．⾛析晶路程的⽅法归纳3．分析熔融路程的⽅法三、三元实际相图举例（⼀）K2O-Al2O3-SiO2相图1．相图介绍2．相图应⽤举例（⼆）MgO- Al2O3-SiO2相图1．相图介绍2．相图应⽤[18]补充条件：结合 P208图6-45中配料点12进⾏分析。
材料物理化学性能一、二、三章
试样质量m、温度T2 量热器热容q、 水的质量m0、比热容c0 、测量前水温T1 、 混合温度T3
测量时将试样投入量热器的水中，忽略量热 器与外界的热交换，按照热平衡原理
m0 c0 q T3 T1 C mT2 T3
2013-5-14
(1-15)
E T
CV ,m
C 上式表明， V，m 依指数规律随温度而变化，而不是从试验中 得出的按 T 3 变化的规律.导致这一差异的原因是爱因斯坦采用了 过于简化的假设.
E 3R e T
2
E T
(1-12)
忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原 因．德拜模型在这一方面作了改进，故能得到更好的结果。
(1)对于固体材料，热容与材料的组织结构 关系不大，见P141图 8-3 (2)相变时，由于热量的不连续变化，热容 出现突变。 (3)在室温以上不发生相变的温度范围，合 金的热容与温度间呈线性关系，一旦发生 相变，热容偏离直线规律，向下拐折。
17 2013-5-14
1.2热容的测量、热分析法的应用
将精确称重的待测试样由细线吊挂在加 热器中加热．加热后将待测试样迅速投入量 热器中进行测量．
混合法测量固体材料的比热容原理： 温度不同的物体混合之后，热量将由高温 物体传给低温物体．如果在混合过程中和 外界没有热交换，最后达到均匀稳定的平 衡温度，在此过程中，高温物体放出的热 量等于低温物体所吸收的热量，称为热平 衡原理．
10 2013-5-14
实验结果表明，材料的摩尔热容如下图1-1（P139图 8-2）所示，是随温度而变化的．
图1-1 NaCl的摩尔热容—温度曲线