第八章-材料的热学性能
材料性能答案
名词解释第九章材料的磁学性能磁化：物质在磁场中由于受到磁场作用都呈现出一定的磁性，这种现象叫做磁化现象自发磁化：在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化。
技术磁化：铁磁材料心爱外加磁场的作用下所产生的磁化现象。
抗磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的成为抗磁性。
顺磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的成为抗磁性。
铁磁性：铁磁材料在外加磁场的作用下，可以产生很强的磁化，这是由于铁磁材料的原子组态所决定的。
铁磁性来源于原子违背抵消的自旋磁矩和自发磁化。
亚铁磁性：反铁磁性：交换积分常数A<0,相邻原子间的自旋趋于反相平行排列原子磁矩相互抵消，不鞥形成自发磁化区域。
固有磁矩：只有原子中存在的未被排满的电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为0，原子才具有磁矩，这种磁矩叫做~最大磁滞回线：磁滞损失：由于磁滞效应的存在，磁化一周得到一个封闭回线，称之为磁滞回线，回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗，称为~退磁能：磁铁产生的外力磁场与内磁场方向相反，从而使铁磁体减弱，磁化能力增加。
磁畴：在铁磁性物质中，此你在着许多微小自发磁化区域，成为~剩磁：磁化达到饱和后，在逐渐减小到H的强度，M将随之减小。
当H=0时，磁感应强度并不等于0，而是保持一定大小的数值，这时铁磁金属的剩磁现象。
矫顽力：要使M值继续减小，必须加反向磁场-H, 当H等一定值Hc时，M值才等于0。
Hc 为去掉剩磁的临界外磁场，称为~~居里点：磁晶各向异性：当贴此物质磁化时，沿不同方向磁化所产生的磁化强度不同，即沿着不同方向磁化所消耗的磁化功不同。
这说明磁化矢量（M）在不同的晶向上有不同的能量，M沿易磁化方向时能量最高。
磁化强度沿不同晶轴方向的不同称为磁晶磁晶的各向异性。
磁致伸缩（效应）：铁磁物质收缩时，沿磁化方向发生长度伸长或缩短的现象称为~~自发体积磁致伸缩：最大磁能积：第十章材料的电学性能电导率：为电阻率的倒数超导临界转变温度：材料由正常状态转变为超导状态的温度超导临界磁场强度：能破环超导态的最小磁场强度超导临界电流密度：输入电流所产生的磁场一外磁场之和超过临界磁场，超导呗破坏。
第8章材料的热学性能
CmVT3（德 拜关系）
(0-5K) ：CmVT （电子为主）
以铜为例
2. 合金的热容 固溶体或化合物的热容服从 奈曼－考普(Neumann-Kopp)定律
C=pC1+qC2 p和q：组成原子的百分数；C1和C2为其原子热容
原因是原子在合金中的热振动能几乎与在单质中 相同。但上述规律在低温下不适用
优点：需要 的样品少且 制备容易， 可对热学参 数进行准确 的定量。
8. 2 材料的热传导 (Thermal conductivity of materials)
8. 2. 1 热传导的宏观现象 (Macro characters of thermal
conductivity)
导热：材料中的热量自动从热端传向冷端的现象
非稳态时，材料各点的温度是时间的函数。
例：不考虑材料与外界的热交换，则热端温度逐
渐降低，冷端温度逐渐升高，各点的温度梯度不
断变化，到平衡时趋于零。
对非稳态传热，有
T t
kt dcp
2T x2
其中d和cp分别为材料的密度和等压比热容。
定义 k t 为导温系数（热扩散率），反映非
dc p
稳态传热时的温度变化速率，则有
p=pvpx
J
CV pvp2xp
dT dx
根据能量均分定理有
vp2x
1 3
vp2
其中
v
2 px
为
v
2 px
的平均值，v p
为声子的平均速度
又平均自由程 p vpp
所以
J13CV pvpp
dT dx
由热流密度的定义
J
kt
dT dx
知声子导热系数 ktp 13CVpvpp
材料的热学性--3
2．热膨胀与温度、热容关系
dL 1dr1tg
Ld T r0d Tr0d Tr0
2．热膨胀与温度、热容关系
热膨胀是固体材料受 热以后晶格振动加剧而 引起的容积膨胀，而晶 格振动的激化就是热运 动能量的增大。升高单 位温度时能量的增量也 就是热容的定义。所以 热膨胀系数显然与热容 密切相关并有着相似的 规律
总则：用照相方法直接记录出膨胀曲线。
将试样的膨胀通过一根传递杆引出，传递杆推 动一个带小镜的光三角架（或其它光杠杆机械） 转动，将试样的膨胀量转成光点的位移量，并 借助于照像或光电转换的主法观察和测量光点 的位移。 既可直接测得伸长量，又可用示差法测得标准 试样和待测试样的差。
2、直接观测法：
利用双筒望远镜、垂高计、比长仪等仪 器直接观测加热过程中试样两标距间的 长度，从而计算出膨胀系数。
比热容：
焓和热容是材料发生相变时的重要参量。
热分析
研究焓和温度的关系，可以确定热容的变 化和相变潜热。热分析法是建立在热测量 和温度测量基础上的现代测试方法。
热分析：程序控制温度，测量物质的物理 性质和温度关系的技术。
热分析方法的种类：
差热分析（DTA）探测过程中的热效应并确定热 效应的大小和发生温度。
材料的热学性能
任何材料在使用的过程中都会受到热影响 或产生热效应。一些场合要求材料具有特 殊的热学性能—低膨胀性能、好的隔热性 能、高的导热性能等。材料的热学性能在 材料的相变研究中具有重要意义。
材料的热学性能主要包括：
热容（thermal content） 热膨胀（thermal expansion） 热传导（heat conductivity）
第八章-材料的热学性能-2
第四节 热传导
一、材料的热传导
1.定义：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会 从热端自动地传向冷端，这个现象就称为热传导。
2.傅里叶定律和热导率 假设固体材料垂直于x轴方向的截面积为ΔS，材料沿x 轴方向的温度变化率（温度梯度）为 ddTx,在单位时间内 通过与热流垂直的单位面积的热量称为热流密度q。
合金元素对膨胀系数的影响取决于它形成碳化物 还是固溶于铁素体。固溶于铁素体中的合金元素 和渗碳体都使钢的膨胀系数降低，而形成合金碳
化物的合金元素使钢的膨胀系数增大。
不同组成相对钢膨胀系数的影响（20－250 ℃ ）
五 热膨胀系数的测定及应用
1 热膨胀系数的测定
(1) 望远镜直读法 将试样装在加热炉炉管的托座上，在精密温度程序控制仪 控制下升温，通过放大倍率在10倍以上的望远镜直读，测 量试样加热过程中的线膨胀变化。
式中αt,αt1,αt2分别为合金与组成相的线膨胀系数。 若两相弹性模量相差较大，考虑到各相弹性相互作用的影响，则：
式中E1和E2分别为组成相的弹性模量。
多相合金的膨胀系数对各相的大小、分布及形状不敏感， 主要取决于组成相的性质和数量。
⑤钢的热膨胀特性取决于组成相的性质和数量。
钢的组织中，马氏体比容为最大，奥氏体比容最小， 铁素体和珠光体居中。铁素体和渗碳体的比容有固定 值，而马氏体、奥氏体和珠光体的比容都要随含碳量 的增加而增大。钢的平均线膨胀系数则相反，奥氏体 最大，铁素体和珠光体次之，马氏体为最小。通常钢 的平均线膨胀系数大约为(10~25) ×10-6K-1。
固体中能量的载体
固体的导热
自由电子 声子（点阵波）
光子（电磁辐射）
电子 • 纯金属 导热
声子 • 绝缘体 导热
材料性能力学热学性能课件
CHAPTER
定义与分类
材料性能是指材料在某种特定条件下的表现，包括力学、热学、光学、电学、磁学 等方面的性能。
材料性能的分类可以根据不同的标准进行划分，如按材料的组成成分、结构特点、 制备工艺等。
不同种类的材料具有不同的性能特点，因此需要根据实际应用场景选择合适的材料。
1. 高分子材料的结晶度、分子量及其分布对物理和化学 性能的影响规律；
详细描述 2. 高分子材料的热稳定性、耐候性及化学稳定性；
3. 高分子材料的可塑性、弹性及耐磨性等物理性能；
4. 高分子材料的制备工艺、改性及复合强化等措施对 性能的影响。
案例三：纳米材料的物理与化学性能研究
• 总结词：纳米材料具有尺寸效应和量子效应等特点，在光电、 催化、生物医药等领域具有广泛的应用前景，研究其物理和化 学性能对于开发新产品、提高应用效果具有重要意义。
结果评估
根据试验数据和分析结果， 对材料的性能进行综合评 估，提出改进意见和建议。
CHAPTER
案例一：新型合金材料的力学与热学性能研究
总结词：合金材料在航空航天、汽车等领域应用广泛，研 究其力学和热学性能对于提高产品质量、降低成本具有重 要意义。
2. 合金材料的强化机制和优化方法；
详细描述
3. 合金材料在高温、低温等极端条件下的性能表现及稳 定性；
透射系数
描述材料对光透射能力的参数， 与玻璃等材料的透光性相关。
吸收系数
描述材料对光吸收能力的参数， 与光的穿透深度有关。
折射系数
描述光在材料中传播方向改变 程度的参数，与光的偏振现象
相关。
CHAPTER
实验室测试
纳米材料概论 第八章纳米材料的热学性能
第八章纳米材料的热学性能重点:纳米材料的热学性质及尺寸效应纳米晶体的熔化纳米晶体的热稳定性纳米晶体的点阵热力学性质纳米晶体的界面热力学重点材料的热性能是材料最重要的物理性能之一表现出一系列与块体材料明显不同的热学特性，如：比热容值升高热膨胀系数增大熔点降低纳米材料的热学性质与其晶粒尺寸直接相关Why?材料的热性能是材料最重要的物理性能之一8.1 纳米材料的热学性质及尺寸效应8.1.1纳米材料的热学性质纳米材料的熔点材料中分子、原子的运动行为决定材料的热性能当热载子（电子、声子及光子）的各种特征运动尺寸与材料尺度相当时，反映物质热性能的物性参数（如熔化温度、热容等）会体现出鲜明的尺寸依赖性。
特别是，低温下热载子的平均自由程将变长，使材料热学性质的尺寸效应更为明显。
8.1.2 纳米晶体的热容及特征温度热容是指材料分子或原子热运动的能量Q随温度T的变化率，与材料的结构密切相关。
在温度T时，材料的热容量C的表达式为：若加热过程中材料的体积不变，则测得的热容量为定容热容（CV）；若加热过程中材料的压强不变，则测得的为定压热容（CP）。
晶界的过剩体积ΔV其中，V和V分别为完整单晶体和晶界的体积。
在纳米材料中，很大一部分原子处于晶界上，界面原子的最近邻原子构型与晶粒内部原子的显著不同，使晶界相对于完整晶格存在一定的过剩体积热力学计算表明：纳米晶的热容随着晶界过剩体积的增加而增加，因而亦随着晶界能的增加而增加。
由于高比例晶界组元的贡献，纳米材料的比热容会比其粗晶材料的高。
注意区分：纳米材料定容热容与比热容的特点2、德拜特征温度由固体物理，德拜特征温度的定义为：ωm表征晶格振动的最高频率；kB为玻尔兹曼常数。
纳米晶体材料的德拜特征温度θnc相对于粗晶的θc的变化率Δθnc可由下式给出：目前，对于纳米晶体材料特征温度的减小还无确切解释。
但可见，晶格振动达到最高频率变得容易了。
8.1.3纳米晶体的热膨胀热膨胀是指材料的长度或体积在不加压力时随温度的升高而变大的现象。
(第八章)材料的热学性能-2010
固体材料点阵中的质点总是围绕其平衡位置 作微小振动，这种振动就为晶格热振动。
晶格热振动是三维的，可以将其简单分解为 三个方向的线性热振动。
K或q
a
s-1
s
s+1
s+2
s+3
s+4
K或q
1.2 一维单原子晶格的线性振动 条件： 每个原子都具有相同的质量m； 晶格常数（平衡时原子间距）为a； 热运动使原子离开平衡位置x。
是因为经典理论不适用于低温，必须采用量子理论。
骣n h exp ç ÷ 2 ç ÷ ç kT ÷ 骣E ÷ 骣E 鼢 骣n q ¶ h 桫 珑 鼢 = 3 NAk （C） CV , m = 珑 = 3RfE ç ÷ ç ÷ 2 珑T鼢 çT 桫 V 桫 桫 ¶ kT 骣 hn ÷ çexp - 1÷ ç ÷ ç 桫 kT 骣n h exp ç ÷ 2 ç ÷ ç kT ÷ 骣E ÷ 骣n ÷ q h hn 桫 ç ÷= ç ÷ fE ç ÷ ç ÷ ： 爱因斯坦函数； qE = ：爱因斯坦温度 2 ç kT 骣 hn çT 桫 桫 k ÷ çexp - 1÷ ç ÷ ç 桫 kT 讨论：高温时，kT hn , hn /kT 1, CV,m » 3R, 这和杜隆定律结论一致。 骣n 骣 hn h 低温时，kT hn，CV,m = 3R 珑 鼢exp , 这与实验结果不符合， 鼢 珑 鼢 桫 珑 桫 kT kT 实验结果是：低温下热容与T3成正比。 不符合原因：原子振动并非独立，彼此存在耦合； 原子振动频率 并非单一，存在一个频率范围。
2.5.2 电热法测定热容
2.5.2.1 原理
VI =(mc+m0c0+m1c1+q1+q2)(T2-T1)
第八章材料的热学性能
3 4 2 k 3 D 由（ 4）可得v , 带入（ 5），并对温度微分 3 3h N T 3 D ex x4 CV 9 Nk ( ) 0T x dx (6) 2 D (e 1)
为讨论问题方便，引入 德拜热容常数 fD ( 令f D (
D
T
),
D
T
) 3(
T
D
) 0T
3 0
3 4 2 k 3 D 由（ 4）可得v , 带入（ 5），并对温度微分 3h 3 N T 3 D ex x4 CV 9 Nk ( ) 0T x dx (6) 2 D (e 1)
为讨论问题方便，引入 德拜热容常数 fD ( 令f D (
D
T
),
D
T
) 3(
T
D
) 0T
12 2 g ( ) 3 v0 3 1 2 3 3 3 v0 vl vt ( 2)
vl为纵波传播速度 v t 为横波传播速度 v0 max 2
3
6N
则晶体振动能量：
max
v0 3 6N (4) 2 max 令 D ，并把x 带入（ 3），经整理 k kT 12k 4T 4 xmax x 3 E dx (5) 0 3 3 x v0 h e 1
光频支振动(optical branch vibration ) ：格波中频率 甚高的振动波，质点彼此之间的位相差很大，邻近质 点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为 “光频支振动”。
光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围 很小，频率很高的振动。
第二节 材料的热容
一．热容的概念 1．热容的定义(heat/thermal capacity) 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K 时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容。 热容的表达式 为 （J/K）
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结合力越强的材料，热膨胀系数越小; 结合能大的熔点较高，通常熔点高、膨胀系数小； 格律乃森晶体热膨胀极限方程:
Tmα ＝(VTm —V0)／V0＝C
VTm—熔点温度时固态金属的体积; V0 — 0K时金属的体积； Tm —熔点温度； 对于立法和六方结构的金属，C为常数，约为 0.06-0.076之间
3、如果引入ZrO2这种网络外氧化物，但Zr4＋网络积聚作
用强，叫高积聚作用氧化物，使 减小。
4、若加入具有高键力的Zn2+,Zr4+,Th4+等，它们处于网络 间空隙，对周围硅氧四面体起积聚作用，增加结构的紧密 性，也促使膨胀系数下降。
晶体结构的影响
a.晶体结构越复杂，膨胀系数 越小; b.氧离子紧密堆积结构的氧化物一般膨胀系数 较大。 c. 晶体的热膨胀系数具有各向异性，晶体结构各方
③组成合金的溶质元素（固溶体）对合金热膨胀有 明显影响;
对于简单金属与非铁磁性金
属所组成的单相均匀固溶体
合金的膨胀系数一般是介于
两组元膨胀系数之间，而且
随着溶质原子浓度的变化呈
一直线式的光滑曲线。例如
Ag－Au合金的膨胀系数与成
分间呈线性关系（曲线6）。
铜中溶入钯，镍，金和铝中
溶入铜，硅，镍和铁等膨胀
向键力不同， 膨胀不同。 d.多晶转变， 会产生突变 e. 同组成的玻璃与晶体比较
玻璃晶体
4 影响金属材料热膨胀系数的其他因素
相变、合金成分和组织、晶体结构及钢中组成相 ①纯金属同素异构转变时，点阵结构重排伴随着金属比容突
变,导致线膨胀系数发生不连续变化;
▪ 当将纯铁加热至910℃时。α相转变为γ相，由于γ 相的比容比α相小，故试样的比容在A1点处急剧 变小。温度继续升高，由γ转变为σ相时比容则急 剧增大。
Lt L0 100
L0
ρ:试样线膨胀率，L0:试样室温下的长度，Lt:试样在温度T的长度
(2) 顶杆式间接法 将试样装在试样管内用顶杆压住试样，通过精密温控仪 控制温升，通过位移传感器或千分表测量试样线膨胀。
式中αt,αt1,αt2分别为合金与组成相的线膨胀系数。 若两相弹性模量相差较大，考虑到各相弹性相互作用的影响，则:
式中E1和E2分别为组成相的弹性模量。
多相合金的膨胀系数对各相的大小、分布及形状不敏感， 主要取决于组成相的性质和数量。
⑤钢的热膨胀特性取决于组成相的性质和数量。
钢的组织中，马氏体比容为最大，奥氏体比容最小， 铁素体和珠光体居中。铁素体和渗碳体的比容有固定 值，而马氏体、奥氏体和珠光体的比容都要随含碳量 的增加而增大。钢的平均线膨胀系数则相反，奥氏体 最大，铁素体和珠光体次之，马氏体为最小。通常钢 的平均线膨胀系数大约为(10~25) ×10-6K-1。
②有序—无序转变时无体积突变，膨胀系数在相变温区 仅出现拐折;
▪ 将CuAu有序合金加热至300℃时， 有序结构开始破坏，由于转变量 随温度上升增加得很缓慢，曲线 的拐折很不明显。当温度达到 480℃ 时合金转变为完全无序状 态，由于在此温度转变量突然急 剧增加，由于在膨胀曲线上出现 了明显的拐折。拐折点对应于有 序－无序转变的上临界温度，通常称为有序－无序转变温度。 有序结构会使合金原子之间的结合力增强，因此有序化导致膨 胀系数变小。
系数小的元素，都使固溶体
的膨胀系数降低，并且明显
地偏离直线关系。
铜基固溶体的线膨胀系数与溶质元素的关系
▪ 锰和锡的膨胀系数比铁大，它使铁的膨胀系数增 大，铬和钒的膨胀系数比铁小，使铁的膨胀系数 变小。
④多相合金的膨胀系数仅取决于组成相性质和数量;
合金组织为两相机械混合物时的膨胀系数值介于两组成相的膨 胀系数之间，并近似地符合直线规律。可根据各相所占的体积百 分数，用相加法则粗略地估计合金的膨胀系数。当两相的弹性模 量比较接近时，合金的膨胀系数:
层间膨胀系数为大()，层内的膨胀系数小。 结构上高度各向异性的材料，体膨胀系数都很小，是一 种优良的抗热震材料。
组成对热膨胀系数的影响
1、如果加入碱金属或碱土金属氧化物等网络调整氧化物 起断网作用，使网络断键，网络结构强度减小，α增大。
2、如果加入Al2O3，B2O3，Ga2O3等为网络中间体氧化物， 它们参与网络的构造，起补网作用，使已断裂的硅氧网络 重新连接起来，增强网络结构，使膨胀系数下降。再增加 则作为网络改变剂存在，又使膨胀系数增大。
线膨胀系数和熔点的关系可由一个经验表达式表示:
Tml b
线膨胀系数和德拜温度的关系:
l
c/
1
V2 3ArD
从上式不难看出，金属的德拜温度越高 ，膨胀 系数就越小。 熔点越高，质点键越强，越不易膨胀， 价键大，热膨胀小。 键强: 共价键>离子键>金属键>分子键晶体 膨胀系数：共价键<离子键<金属键<分子键晶体
▪ 合金元素对膨胀系数的影响取决于它形成碳化物 还是固溶于铁素体。固溶于铁素体中的合金元素 和渗碳体都使钢的膨胀系数降低，而形成合金碳
化物的合金元素使钢的膨胀系数增大。
不同组成相对钢膨胀系数的影响（20－250 ℃ ）
五 热膨胀系数的测定及应用
1 热膨胀系数的测定
(1) 望远镜直读法 将试样装在加热炉炉管的托座上，在精密温度程序控制仪 控制下升温，通过放大倍率在10倍以上的望远镜直读，测 量试样加热过程中的线膨胀变化。
原子序数增大线膨胀系数的周期变化（300K）
四 影响材料热膨胀系数的主要因素
1 化学成分
成分相同的材料，结构不同，热膨胀系数也不同。
2 键强度
键强度高的材料，有低的热膨胀系数
3 晶体结构
同一成份下，结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而非 晶态结构比较松散的材料，有较小的热膨胀系数。
非等轴晶系的晶体，各晶轴方向的膨胀系数不等，因 为层内有牢固的联系，而层间的联系要弱得多。
结合力越强的材料，热膨胀系数越小
3、膨胀系数和原子序数的关系
膨胀系数随元素的原子序数呈明显的周期性变化。只有I A族 的元素原子序数增加时，线膨胀系数增大，而其余A族元素都是 随着原子序数的增加，线膨胀系数变小。一般，同一周期中过渡 族金属的膨胀系数最小，碱金属的膨胀系数都比较大，这是因为 过渡族元素原子间结合力都比较大，而碱金属原子之间结合力都 比较弱之故。