材料物理性能 干货【ppt】 .ppt

1、材料磁性分类,(1)抗磁性1）磁化强度M与H方向相反；2）磁化率 0，10-5的数量级；3）与磁场、温度无关。(2)顺磁性 1）磁化强度M与磁场H同方向；2）其磁化率 0，10-3一10-6数量级3）多数顺磁性物质 与温度T服从居里定律 pCT(3)反铁磁性(4)铁磁性(5)亚铁磁性,2、铁磁性的微观本质,物质磁性起源于原子磁矩原子的总磁矩=电子轨道磁矩+电子自旋磁矩电于轨道运动产生电子轨道磁矩；电子自旋产生电子自旋磁矩。核磁矩非常小，几乎对原子磁性不起作用,3、铁磁性产生的条件,1、原子内部要有未填满的电子壳层必要条件（原子固有磁矩 不为零）2、电子交换积分A0 充分条件（具有一定晶体结构）为什么温度升高铁磁性转变为顺磁性？1）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；2）温度升高，热运动破坏了磁矩的同相排列（自发磁化）；3）当温度升高到TTc，自发磁化不存在，铁磁性转变为顺磁性。,4、铁磁性物质的基本特征,铁磁性物质的特性：自发磁化 磁畴 居里温度 磁滞回线,1、自发磁化：通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，称为自发磁化。2、磁畴：磁性材料内部自发磁化的小区域。3、磁致伸缩：铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，它的长度和体积同时发生变化。这种现象称为磁致伸缩。,铁磁体的磁化曲线,磁化曲线的三种形式,开始M的增加比较缓慢后来增加较快最后达到Ms(饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度B，对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs）,磁导率随H的变化磁导率是B-H曲线上的斜率在B-H曲线上，当H0时的斜率称为初（起）始磁导率i初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一,M(B)与H的变化关系,磁导率随H的变化,c,起始磁化曲线为 oc,当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化，磁滞现象。,Hc,Br,Hc,当外磁场为 0 时，介质中的磁场并不为 0，有一剩磁 Br;矫顽力加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为 0，继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。,磁化曲线形成一条磁滞回线。,结论,铁磁质的 不是一个常数，它是 的函数。,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。,铁磁体的磁化曲线,铁磁体的磁化曲线,磁滞回线与 磁畴的关系磁滞现象的本质磁畴的迁移运动受到阻力,磁性流体指的是吸附有表面活性剂的磁性微粒在基载液中高度弥散分布而形成的稳定胶体体系。磁性流体不仅有强磁性，还具有液体的流动性。它在重力和电磁力的作用下能够长期保持稳定，不会出现沉淀或分层现象。磁性流体由磁性微粒、表面活性剂和基裁液组成。,图525 磁性液体的组成 a）磁性流体 b)吸附表面活性剂的磁性微粒 1-基载液 2-表面活性剂 3-磁性微粒,磁性微粒子功能材料,5.4 铁磁性物质的基本特征,铁磁性物质的特性：自发磁化 磁畴 居里温度 磁滞回线一、自发磁化,铁磁性物质内的原子磁矩，通过某种作用，克服热运动的无序效应，都能有序地取向，按不同的小区域分布。通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，称为自发磁化。,铁磁性基本特征,磁性材料内部自发磁化的小区域。每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，不对外显示出磁性。磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。,二、磁畴,对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在临界温度Tc温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。所以，居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点，铁磁态或亚铁磁态 顺磁态,Tc,三、铁磁性材料的居里温度,铁磁性基本特征,四、铁磁性自发磁化的起源,铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用。静电交换相互作用主要由电子自旋磁矩产生 1）铁磁性产生的必要条件：原子的电子壳层有未被电子填满的状态。Fe 3d 4个未填满的状态 4Ni 3d 2个未填满的状态 2 产生较大磁矩Co 3d 3个未填满的状态 3Mn 3d 5个未填满的状态 5 不是铁磁性原子中存在未被电子填满的状态只是必要条件。不是充分条件,2）铁磁性产生的充分条件,根据键合理论，当原子相互接近形成分子时，电子云相互重叠，电子要相互交换位置。对于过渡金属，3d 状态与 s态能量相差不大，电子云相互重叠时，将引起s、d 状态的电子云重新分配。交换相互作用铁磁性产生的充分条件,铁磁性产生的条件,1、原子内部要有未填满的电子壳层必要条件（原子固有磁矩 不为零）2、电子交换积分A0 充分条件（具有一定晶体结构）为什么温度升高铁磁性转变为顺磁性？1）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；2）温度升高，热运动破坏了磁矩的同相排列（自发磁化）；3）当温度升高到TTc，自发磁化不存在，铁磁性转变为顺磁性。,铁磁体的磁化曲线,磁化曲线的三种形式,开始M的增加比较缓慢后来增加较快最后达到Ms(饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度B，对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs）,磁导率随H的变化磁导率是B-H曲线上的斜率在B-H曲线上，当H0时的斜率称为初（起）始磁导率i初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一,M(B)与H的变化关系,磁导率随H的变化,常用技术磁化量 B=0(H十M)=(1+x)=B/0H,起始磁导率最大磁导率 拐点K 处的斜率剩磁剩余磁化强度M r（磁感应强度Br）矫顽力Hc磁滞现象：在退磁过程中，磁化强度落后于磁场强度的现象。磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积（磁化一周所消耗的功）,三、磁各向异性与磁致伸缩,同一铁磁物质的单晶体，其磁化曲线随晶轴方向不同而有所差别，即磁性随晶轴方向而异。这种现象称为磁晶各向异性。,沿铁磁体不同晶轴方向磁化的难易程度不同，磁化曲线也不相同。,铁磁单晶体在磁性上是各向异性的,1、磁各向异性,磁各向异性能,从能量角度，铁磁体从退磁状态磁化到饱和状态，M-H曲线与M轴之间所包围的面积等于磁化过程做的功（537）磁各向异性能：饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。磁晶各向异性能与磁化强度矢量在晶体中相对晶轴的取向有关。在易磁化轴方向上，磁晶各向异性能最小，而在难磁化轴方向上，磁晶各向异性能最大。,2、磁致伸缩,铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，它的长度和体积同时发生变化。这种现象称为磁致伸缩。磁致伸缩现象有三种：1）沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化称为纵向磁致伸缩；2）垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化称为横向磁致伸缩。3）铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化称为体积磁致伸缩。由磁致伸缩导致的形变一般比较小，其范围在10-510-6之间，虽然磁致伸缩引起的形变比较小，但它在控制畴结构和技术磁化过程中是一个很重要的因素。TbFe2 机器人、传感器、驱动器（10-3）,磁致伸缩与外磁场的关系,铁磁体的磁致伸缩随外磁场的增加而变化，最终达到到饱和值s磁性材料的饱和磁致伸缩系数。磁致伸缩产生的原因：由于每个畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发地形变，且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致磁体整体有一形变。,磁致伸缩的大小与外磁场的大小有关,饱和磁化状态下的磁致伸缩系数s作为磁性材料的一个磁性参数。不同的材料的磁致伸缩系数s也是不同的：s0的称为正磁致伸缩正磁致伸缩是指沿磁场方向伸长，而垂直于磁场方向缩短，例如铁就是属于这一类。s0的则称为负磁致伸缩。负磁致伸缩则是沿场磁化方向缩短，在垂直于磁化方向伸长，镍属于这一类。,软磁材料的特征具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度；较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄；在磁场作用下非常容易磁化；取消磁场后很容易退磁化,软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。,磁性材料,(二)硬磁材料 硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。主要特点 具有较大的矫顽力，典型值Hc104106A/m；磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。,磁性材料,习题,1、试述物质磁性的分类及其特点，并绘出磁化曲线。2、自发磁化的物理本质是什么?物质具有铁磁性的充要条件是哪些？3、根据居里-外斯定律，说明磁化率与温度的关系。并在磁化率温度曲线上标出其代表的相应磁性。4、简述磁性材料的主要应用领域，说明其应用对磁性能的要求。,材料的电性能的差别主要由其外层电子来决定，而外层电子由于受原子核和周围势场的影响，使电子分布在不同能带上，从而导致了不同材料电性能的差别。理想完整的晶体在绝对零度时的电阻为零.电阻的产生总是伴随着晶体的不完整性。为什么产生电阻？resistance（1）温度引起晶格的热振动加大，使晶格对自由电子的散射增大，产生电阻。thermal vibration（2）其它组元的加入及晶格畸变,引起晶格周期性势场的规律性和能带结构的改变等.crystal lattice aberrance,3-1材料的导电 性,1、载流子（carrier;charge carrier）导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷的定向运动产生了电流，电荷的载体称为载流子。载流子是具有电荷的自由粒子，在电场作用下可产生电流。载流子:电子、空穴、正、负离子、杂质。不同材料的载流子金属 自由电子（电导率高 导电性好）半导体自由电子、空穴离子固体自由电子、空穴、正负离子（室温绝缘体 T高 电导率大）（无机非金属）高分子材料 正负离子、杂质（导电性）,1、材料的电导,在一定温度下，自由电子作无规则的热运动，没有定向的流动。当有电场E的存在时，电子产生定向运动，形成电流，电流的大小用电流强度I度量。根据导电性原理，可以用载流子的数量、迁移率及所带电量来反映电流的大小。电流强度I或电流密度J为（3-1）（3-2）,如何理解材料的电导现象 必须明确几个问题 参与迁移的是哪种载流子有关载流子类别的问题 carrier sort载流子的数量有多大有关载流子浓度、载流子产生过程的问题 carrier density载流子迁移速度的大小有关载流子输运过程的问题 carrier transfer speed,2、决定电导率的基本参数 conductance parameters 载流子电量 电子、空穴、正离子、负离子 载流子数 charge carrier density-n,个/m3 载流子迁移率 electron mobility-(物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)=/E电流密度单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）Jnq电导率=J/E=nqE=nq,电导的宏观参数,1、电阻率2、电导率3、相对电导率（IACS%）工程中常用表示导体材料的导电性能。国际上把标准软铜在室温20。C下的电阻率=0.01724 mm2/m的电阻率作为100%，其他材料的电导率与之相比的百分数为该材料的相对电导率。,3.2 金属的导电性,金属的导电自由电子的定向运动。金属的导体的载流子自由电子1、金属的导电机制 材料的导电性取决于能带的结构和电子填充情况。实际上对金属的导电有贡献的仅仅是费米面附近的电子，只有它们可以在电场的作用下进入能量较高的能级；能量比费米能级Ef低得多的电子，其附近的状态已被电子占据，没有空的状态而不能从电场中获得能量来改变状态，这种电子不参与导电。因此，金属的电导与电子在费米面处的能态密度和驰豫时间有密切关系。,影响金属导电性的因素,温度:thermal vibration杂质:solid solution塑性形变:dislocation缺陷,散射,3.2.2 本征载流子浓度,1）在绝对零度时，半导体的价带是被填满，导带是全空 材料的电导率为零 2）温度的升高，价带中的部分电子跃迁到导带，并在价带中留下等量的空穴。导带中的电子和价带中的空穴具有相反的电荷，在电场的作用下沿着相反的方向运动，这种由本征热激发产生的载流子本征载流子。3）本征载流子不断由热激发成对产生，不断复合而成对消失，载流子电子和空穴的浓度是相等。载流子浓度与温度呈指数关系,施主能级,受主能级,杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态,34 离子电导,离子导电是带电荷的离子载流子在电场的作用下的定向运动。参与电导的载流子为离子和杂质。离子导电可分为两类：本征电导和杂质电导。1）本征电导源于晶体点阵的基本离子的热运动。离子自身随着热振动离开晶格，形成热缺陷。这些热缺陷（离子、空位）在电场的作用下成为导电载流子，这种导电称为本征电导，在高温下本征电导起主要作用。2）杂质电导参与电导的载流子主要是杂质。由于杂质离子与晶格联系较弱，故在较低温度下杂质电导是作为离子电导的主要贡献者。,344 影响离子电导的因素,1温度 离子电导随温度升高，电导率迅速增大，并呈指数关系。随着温度由低温到高温，ln和1/T的曲线出现拐点A，把曲线分为两部分。1代表低温区域是杂质导电。2代表高温区域是本征导电。图3-10 杂质离子电导与温度的关系例如：NaCl在低温下，是杂质离子电导，在高温下主要为离子电导，也会出现转折点。,2、离子性质和晶体结构,离子性质和晶体结构对离子电导的影响是通过改变导电活化能来实现的。活化能大小又取决于晶体间各粒子结合力。而晶体结合力受以下因素影响：1)熔点：熔点高的晶体，原子间的结合力大，相应的活化能也高。因此，熔点高的晶体离子载流子的迁移率低，电导率也就低。2)离子化合价：一价正离子的尺寸小，荷电小，相应活化能也小。因此，离子载流子的迁移率高，电导率也高。高价正离子的价键强，活化能高，电导率就低。3)晶体结构：晶体结构提供离子移动的通路，堆积越紧密，结合能越高，可供移动的离子数目就越少，而且移动也困难。因此，导致较低的电导率。体心立方结构的晶体比面心立方结构的晶体电导率要高。,3晶体缺陷,在离子晶体中，点缺陷是由于热振动产生的。由于热的活化作用，是晶体产生肖特基缺陷和弗朗克尔缺陷。随着缺陷中空位的增加，电导率提高。因此，离子电导与金属电导相反，缺陷越多，电导率越高。,1、超导体的基本特性,超导体有三个重要的特性：（1）超导体具有完全导电性（零电阻效应）对于超导体来说，当温度降至某一温度以下，电阻突然消失的特征，称为零电阻效应。（2）超导体具有完全抗磁性（迈斯纳效应）把处于超导状态的超导体置入磁场中，当磁场强度H不超过临界值Hc，磁力线就无法穿过试样，超导体中磁感应强度B始终为零，称为完全抗磁性。（3）超导体具有通量量子化（约瑟夫逊效应）当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸时，超导电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流，即超导体-绝缘体-超导体（SIS）具有超导电性。这就是所谓通量量子化。,2、超导体的临界参数,实际使用的超导材料中，有三个临界性能参数决定材料是否处于超导态。这三个性能指标是：第一个性能指标超导体的临界转变温度 Tc当温度低于临界转变温度时，材料处于超导态，当温度高于临界转变温度时，它会恢复正常态。第二个性能指标临界磁场强度Hc 当温度低于临界转变温度时（TTc），若磁场强度H大于某一个临界值Hc时，磁场将破坏超导态，使材料从超导态转变为正常态，此时的磁场强度称为临界磁场强度Hc。第三个性能指标临界电流密度Jc 除磁场强度影响超导转变温度外，电流密度也影响超导的状态。研究发现，临界电流密度不仅是温度的函数，而且与磁场有密切关系。,FIGURE Critical temperature,current density,and magnetic field boundary separating superconducting and normal conducting states,超导电性在一定低温下材料突然失去电阻的现象,三个性能指标,三个性能指标超导转变温度Tc 愈高愈好 临界磁场Hc 破坏超导态的最小磁场。随温度降低，Hc将增加；当TTc时,临界电流密度Jc 保持超导状态的最大输入电流(与Hc相关）,3、超导体材料种类,1、元素超导体 元素周期表中有28种元素及合金（Ti,V,Nb,Mo,W,Zn,Cd,Al,Pb,In,及合金NbTi）。其中Nb的临界温度最高，为9.2K。2、合金超导体 最早发现的Nb-Zr和 Nb-Ti 二元合金，七十年代以后发现的三元超导合金 Nb-Zr Ti V-Zr-H等，已作为磁流体发电机的大型磁体。合金超导材料具有强度高、应力应变小、临界磁场强度高、成本低易于生产的优点。3、氧化物超导体 具有叫高的临界温度、临界磁场强度和临界电流密度，又称高温超导体。但这类材料较脆,加工困难。其中比较重要的有：YBa2Cu3O7(Tc=80K)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(Tc=110K)。,超导材料的分类,超导材料按其在磁场中的磁化行为分成两类。1）第一类超导体 这类超导体在磁场中有不同的规律，磁矩与外磁场的关系如图3-27（a）所示。a)当磁场强度低于临界磁场强度时（H Hc）,磁感应强度B=H，不具有超导电性。具有这一特性的超导材料称为第一类超导材料。非金属元素和大部分过渡金属（除Nb、V、Ru外）都属于此类超导体。,超导体磁化曲线 a)第一类超导体 b)第二类超导体,实验证明，第二类超导体的临界转变温度Tc、临界磁场强度Hc和临界电流密度Jc要比第一类超导体高得多。第二类超导体在应用技术上更为重要。,第二类超导体,该类超导体 a)H Hc1时,有部分磁场穿入导体内，此时0 Hc2时，磁感应强度B=H，磁场完全穿透，超导电性才消失。d)当磁场介于Hc1与Hc2之间时，超导体既不是迈斯纳态，也不是正常态，此态称为混合态。具有这一特性的超导材料称为第二类超导材料。非金属元素和大部分过渡金属（除Nb、V、Ru外）都属于此类超导体。大多数合金及Nb、V、Ru等元素属于这类超导体。,习题,1、试述影响金属、半导体、无机材料、高分子材料 和 陶瓷材料电阻率的因素。2、分析金属、半导体、无机材料导电的机制，如何提高其导电性能？3、画出掺杂半导体的能带示意图，说明P、N掺杂导电的机理。4、超导性的三个基本特性是什么？图示说明超导材料处于超导态应具备哪些条件？,一维双原子链模型反映了晶格振动的基本特征。在此仅讨论三维晶格振动的主要结论。一、三维晶格振动的主要结论单原子链 只有一支声学波；双原子链 有一支声学波和一支光学波；三维晶格振动 三支声学支();3n 3 支光学支(+),第七章：材料热学性能 天津大学,固体的热容主要来自二部分：1)晶格振动的贡献；2)电子热运动的贡献;通常只考虑晶格振动，除非在很低温度下才考虑电子热运动的贡献。在热力学中，固体的定容比热。由经典统计力学总的振动能量固体的热容为（杜隆-泊替定律）该定律在高温时与实验符合很好,但在低温下，能量均分经典理论不适用，须用晶格振动的量子理论。E=(ni+1/2)i,第七章：材料热学性能 天津大学,第七章：材料热学性能 天津大学,根据热的经典动力学理论，以点阵结点为中心作振动的原子，在一个自由度所具有的：平均动能为 平均势能为 由能量均分定律：一个具有三个自由度的原子，振动时所具有的总的平均能量为 E=3kT一摩尔原子物质内的原子数为N=6.023X1023 每摩尔原子物质总的能量 E3NkT,1、经典理论,Cv=E-系统的平均能量 E=3NKT N=6.0221023 R=NK=8.314 J/mol.K 摩尔热容为Cv=3NK=3R 24.9（J/mol.K）晶体的摩尔热容是一个与温度无关的常量。杜隆-伯替定律它的前提条件是在足够高温（室温以上）时，与实验结果符合很好。但在低温时，热容随着温度下降将明显减小，与杜隆珀替定律就不一致。实验表明容随温度下降而减少，当T0K，Cv0,第七章：材料热学性能 天津大学,第七章：材料热学性能 天津大学,2、爱因斯坦热容理论,假定1）每个原子与它邻近的原子之间作相互无关的独立振动；2）晶格中所有的原子都以相同的频率E 振动。（7-47）式简化为,(749),(750),式中，,为爱因斯坦比热函数。,实验结果表明，大多数固体物质在比热发生显著变化的宽广温度范围内，理论曲线值与实验数据能相当好地吻合。可是在极低温度下，由于比热和T3成正比，因此导致与实验数据很大的偏差。这正是爱因斯坦模型的局限。原因1、爱因斯坦模型忽略了每个原子与它邻近的原子之间的作用。2、爱因斯坦模型假定所有原子振动的频率相同是过于简化了。,第七章：材料热学性能 天津大学,说明：这与很多固体在低温下 CV T 3 的实验规律不符。这是由于爱因斯坦模型对晶体振动作了过分简化。在低温下，只有 的格波才能被激发，对热容有贡献，频率高于 的格波已经”冻结”，对热容没有贡献。爱因斯坦模型的单一频率格波只近似描写光学波，因为光学波一般频宽很窄(随 q 的变化很小)，可以近似的用单一频率描述。而爱因斯坦模型忽略了频率较低的声学波对热容的贡献。在低温下声学波对热容的贡献恰恰又是主要的。所以(2)式的热容随温度下降比实验结果更快。爱因斯坦模型主要适用于光学波，或者说不适用于低温。,德拜假设:1)考虑晶体点阵间有相互作用；2）原子振动具有很宽的频率范围。把晶体的振动看成在各向同性介质中传播的弹性波,第七章：材料热学性能 天津大学,得出德拜假设的振动谱区间内所有的振子数表达式,具有频率为的一个振子的平均能量为,频率分布函数,将（758）式简写成（759）1）当TD时，Cv3Nk2）当TD时，,第七章：材料热学性能 天津大学,（760）,表明：比热和温度T3成正比德拜定律。它与实验测定的比热与温度的关系一致。在非常低的温度下，只有长波的激发是主要的，而对于长波，晶格是可以作为连续介质处理，与德拜模型所作的假设一致。,三、影响材料的热熔的因素,第七章：材料热学性能 天津大学,1、不同材料其德拜温度不同 它取决于材料的化学键的强度、弹性常数和熔点。其特征温度一般约为它的熔点(K)的 左右。德拜特征温度一般都是由它的热容实验数据确定的。,表71 几种金属和陶瓷晶体的D值,金属 CP 1 KJKg-1K-1，热容小，容易加热、容易冷却，自由电子的贡献很小。无机非金属，CP 1，热容小，更符合德拜模型高分子 CP 1.0 3.0 KJKg-1K-1，热容大 不同的运动单元 原子、基团、链段 分子链柔顺性 温度的升高是由于分子间内 摩擦引起的，柔性链，运动单元小内摩擦小,T上 升慢，热容量大，,热膨胀是当温度变化时，材料的长度或体积发 生长大。为什么会发生热膨胀？原子间平均作用力是非简谐力，引力和斥力不完全对称，斥力大于引力。随温度的升高，振幅增大，不对称性也增大。因此，当晶格原子振动时，平均表现出为一定的斥力，这就是导致晶体热膨胀的原因。,第七章：材料热学性能 天津大学,1）热膨胀系数与热容 热膨胀是固体受热后晶格振动加剧而引起体积膨胀,热运动能量增大。升高单位温度能量的增量就是热容，所以热膨胀系数与热容有密切关系。格律乃森方程：（7-77）格律乃森常数，1.52.5之间变化，X压缩系数，Cv等容热容。热膨胀系数与热容变化的特征基本一致。低温下Cv T3，热膨胀系数在低温下也是按T3规律变化。,第七章：材料热学性能 天津大学,热膨胀系数与物质内原子间的斥力、引力大小以及原子间的键能大小直接有关。物质的熔点是其结合键强度的表征之一。格律乃森金属的体热膨胀极限方程：纯金属由0K加热到熔点TM，膨胀量是6%；当金属体积增大6时，金属空间点阵的原子间的内聚力已很弱，以致金属将熔化.具有立方及六方结构的不同金属，体积热膨胀的极限值在6到6.7之间波动。,第七章：材料热学性能 天津大学,物体的熔点越低，热膨胀系数越大，熔点高的材料热膨胀系数较小。热膨胀系数与熔点有一定联系，经验公式：TM=b b-为常数，对大多数立方、六方晶格取0.060.07 元素线膨胀系数与熔点Tm的关系 氧化物、卤化物线膨胀系数 与Tm的关系可表示2,第七章：材料热学性能 天津大学,热膨胀系数随原子序数呈明显周期变化。IA族：随原子序数增加而增大；其余A族 随原子序数增加而减小。过渡族具有低的 值；碱金属 值高（原子结合力低）。铁：1210-6/C，石英0。510-6/C（是铁的30倍，可忽略）,第七章：材料热学性能 天津大学,4）温度的影响 热膨胀系数随温度变化与热容随温度变化的规律相似。在没有相变时，热膨胀系数随温度升高连续增大。,第七章：材料热学性能 天津大学,铁磁性金属和合金的热膨胀系数随温度的变化常 出现正、负反常膨胀。Fe,Co,Ni磁性转变区的膨胀曲线 Fe-35%Ni负反常膨胀曲线 由于磁致伸缩抵消了正常膨胀的结果,第七章：材料热学性能 天津大学,第七章：材料热学性能 天津大学,同素异构转变时，热膨胀系数不连续变化。有序-无序转变时，热膨胀系数出现拐点。ZrO2晶型转变体积收缩;,合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀的影响极为明显。一级相变时，膨胀系数有不连续变化，二级相变时，相变点处膨胀系数曲线上有拐点。,第七章：材料热学性能 天津大学,一级相变,二级相变,5)键强度对热膨胀的影响 热膨胀与晶体内离子或原子间结合键的强度有关。共价键或离子键形成的晶体，一般情况，其热膨胀系数都比较小；范德华力结合的分子晶体，其热膨胀系数一般都非常大。对称性较低的金属其热膨胀系数有各相异性。弹性模量高的方向膨胀系数小。六方晶系的有明显的各相异性。立方：体膨胀系数=3,第七章：材料热学性能 天津大学,Megaw从物质结构的观点提出：具有相同结构的晶体，其热膨胀系数与化合价的平方成反比。热膨胀系数与原子价Z的关系,第七章：材料热学性能 天津大学,一、气孔率 气孔率对材料热膨胀性能的影响，很大程度上决定于气孔在材料中的分布状态。1）气孔弥散分布在连续的固相基体中 可以把它看作是气孔(气相)和固相的复合材料。由于空气的体积模量K与固相基体的体积模量相比可予忽略，因此代入Turner经验方程，计算得到的含有气孔的材料的热膨胀系数与纯粹是固相基体的热膨胀系数接近相等。这说明连续固相中的气孔不会对材料的热膨胀系数带来明显的影响。,2）材料由相互结合比较弱的颗粒组成，或者材料内的颗粒之间只有很小部分接触。颗粒之间充斥着气体。这种材料的热膨胀性能就难以确定，多数情况下其膨胀系数要比颗粒本身的小，但也有例外。一般来说，含有这种气孔类型的材料的热膨胀系数与颗粒尺寸、颗粒间结合的强弱以及各向异性程度等许多因素有关，因而难于找到一个通用的计算热膨胀系数的经验公式。,热膨胀与晶体内离子或原子间键的强度有关，与结合键的类型有关。1）纯粹由共价键或离子键形成的晶体，一般情况，其热膨胀系数都比较小；2）以范德华力结合的分子晶体，其热膨胀系数一般都非常大。石英的体膨胀系数要比草酸有机物晶体的热膨胀系数小一个量级。例如：水镁石Mg(0H)2与a轴平行的方向的热膨胀系数大致与MgO相同，但与a轴垂直的方向，因为是范氏健，其膨胀系数就非常大。,1）键的长度增加，原子或者离子趋于远离；2）键的长度虽无变化，但键的方向发生了变化。离子键在结构上是没有方向性的 共价键有特定的方向。石英矿物在转变时发生的现象就是键角的较小变化将引起较大的热膨胀。石英矿物的各种变体，因SiO键的长度增加产生的膨胀不大，它们在转变点发生的膨胀是由于键的方向发生变化引起的。熔融石英由于存在坚固的SiO键和无序结构，键与键之间的角度完全没有规律，膨胀纯粹是由于键的长度增加，所以膨胀系数也比较小。,当材料内部发生相变时，其热膨胀系数在相变点会发生突变。材料体积在转变点将产生一个不连续的增大。膨胀系数在转变点处出现最大值。铁磁体在转变点居里温度处，热膨胀虽然没有发生不连续的变化，但膨胀系数依然会在相变点处出现最大值。具有同质多晶转变的组分加入到复合材料中后，把复合材料升温到该组分的转变点，其热膨胀系数也会出现突然的增大。,第七章：材料热学性能 天津大学,傅立叶定律确定了在稳态传热的情况下，某一材料在单位时间内，通过单位面积上的热流密度q正比于该材料的温度梯度。,q=-grad T(786),式中负号表示热量向低温处传播。导热系数（或称热导率）单位W/(mK)或J/(mKs)，表示单位时间内单位温度梯度下，通过单位面积的热量。,傅立叶（Fourier）导热定律。,导热系数是一个矢量；是直接表征物质导热能力的一个重要物理量。1）不同的物质的导热系数不同，有些甚至相差几个 数量级。2）同一种物质由于晶体结构、显微结构、密度、湿度和所处的温度不同也会明显影响导热系数的数值。(786)式还可写成（787）S一面积 Q一在t时间内通过面积S传导的总热量；T表面温度与沿导热方向L深度处温度的差值。,第七章：材料热学性能 天津大学,导热系数,金属：随着温度t升高，降低；非金属：随着温度t升高，升高。对大多数固体：,付里叶导热定律适用于稳态。通常热传导过程是不稳定的传热，温度是时间t和位置x的函数，可导出热扩散率:(m2/s)-热扩散率，d密度，Cp等压比热熔物理意义：是与不稳定导热相联系，标志着温度变化的速度。1）在同样加热冷却的条件下，越大，物体各处的温差越小。2）导温系数大，则温度梯度小，试样温度比较均匀。3）导热系数高，导温系数大。,第七章：材料热学性能 天津大学,工程上选择保温材料和热交换材料，除了考虑导热系数和导温系数外，还要考虑热阻 热流量通过截面的温度差（K/W）热阻的物理意义：材料对热传导的阻隔能力。锅炉、冷藏、石油液化、建筑结构隔热 热阻的倒数热导1/R 导热电子元件、叶片,第七章：材料热学性能 天津大学,7.4.2 热传导理论,不同的物质:：金属、高分子、无机非金属 物质所处的不同状态：固态、液态和气态结构上有差别，相应的导热能力也大不一样。导热的机理当然也不相同。共同的：所有物质的热传导，不管它处于什么状态都是由于物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结果。,第七章：材料热学性能 天津大学,热传导由于材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移。材料内部的能量传输过程微观粒子的运动、碰撞 1）气体和液体中，热量的传导通过分子或原子相互作用或碰撞来实现。2）在金属晶体中，热量的传导主要通过电子的相互作用和碰撞来实现的；3）在无机介质中，热量的传导是通过晶体点阵或者晶格的振动来实现。由于晶格振动的能量是量子化的，我们把晶格振动的“量子”称为声子。所以无机的热传导就可以看成是声子相互作用和碰撞的结果。,heat conduction,theory,固体能量的载体：自由电子、声子、光子、分子。free electron,phonon,light quantum,molecule 固体导热电子导热、声子导热、光子导热、分子导热 纯金属：电子导热 合金：电子导热、声子导热 半导体：声子导热、电子导热 陶瓷材料：声子导热、光子导热 高分子材料：分子导热、声子导热,第七章：材料热学性能 天津大学,区域I和区域的平均宽度就是气体分子的平均自由程 气体、金属晶体以及介电体的导热机理都是不同微观粒子相互作用或碰撞的结果。金属和无机材料导热系数数学表示式都具有相同的形式。,二、电子导热机理,金属中的电子不受束缚，所以电子间的相互作用或碰撞是金属中导热的主要机制。即电子导热机构。对于纯金属，电子对导热的贡献远远大于声子对导热的贡献。不过随着温度的降低在低温下声子导热对金属总的导热的贡献将略有增大。半导体由于含有弱束缚的电子，电子导热机制对其也有贡献。金属中电子导热的贡献也可表示为（798）CV一单位体积电子的热容；V电子的平均速度；L电子的平均自由程。,1、电子导热与温度的关系,金属中电子导热随温度变化的关系，大体三个温度范围(1)很低温度 电子运动的平均速度与温度无关，电子的平均自由程主要由晶体本身的位错等固有缺陷决定，可近似作常数处理；电子的热容与温度成正比。很低温度下电子的导热系数随温度呈线性变化。,(2)中等温度 电子运动的平均速度仍为一常数电子的热容 仍与温度成正比，电子的平均自由程 由于温度升高和热运动加剧与温度成反比。综合考虑了上面三个因素，在中等温度下电子的导热系数不随温度的变化而变化接近一常数。实线曲线中比较平坦的一段。,第七章：材料热学性能 天津大学,(3)很高温度 电子运动的平均自由程 仍与温度成反比；电子的热容 接近为一常数由于电子的动能不再与温度无关，电子运动的平均速度 与温度的关系为 综合考虑了上面三个因素后，很高温度下电子的导热系数随着温度的增加而略有减小。实线曲线最后的一段。,上面讨论的电子导热机构虽然是金属导热的主要机构，但并不是唯一的机构。金属总的导热系数中，晶格振动导热（即声子导热）也起一定作用。金属的总的导热系数曲线是虚线部分。比较实线和虚线：在很低温度下，电子对导热系数的贡献小，而晶格振动的格波或声子对导热系数的贡献却相当显著。因此在很低温度下，金属导体导热能力方面的差别并不象中温和高温下那样明显。,自由电子是热导和电导的载体.研究发现：在温度不太低时，金属热导率和电导率之比正比于温度，其比例系数不依赖于具体金属。魏兹曼-弗兰兹定律 L0=2.4510-8 V2/K2 当温度高于德拜温度，对于电导率较高的金属适用。对于电导率较低的金属，L0是变数，上式还要加上声子导热率。,第七章：材料热学性能 天津大学,由金属导热机制：高导电的金属就有高的热导率。热导和电导性具有相同的规律。1)纯金属的热导率一价元素的金属导电性高，导热性能也最好。Cu Ag Al 的热导率4.2 4.15 2.3 W/cm.K 比Fe,Co,Ni高.单价元素的金属导电性能最好.,第七章：材料热学性能 天津大学,低温时，热导率随温度的升高而不断增大，并达到最高值；随后热导率在一小段温度范围内基本保持不变；当温度升高到某一温度，热导率开始急剧下降，并在熔点出达到最低值。,第七章：材料热学性能 天津大学,固溶体：当杂质浓度很低时，杂质使热导率的降低很明显，杂质浓度增高时，杂质效应减弱；金属化合物：导热系数最高；合金：构成无序固溶体时-溶质组元浓度愈高，热导率降低越多；构成有序固溶体时-热导率提高，最大值对应有序固溶体化学组分。钢中各组织的热导率从低到高：A、淬火M、回火M、P,第七章：材料热学性能 天津大学,4）晶粒大小的影响晶粒粗大，热导率高，晶粒越细，热导率愈低。触头材料的焊接5)晶体结构的影响 晶体结构越复杂，热导率越低。立方晶系的热导率与晶向无关；非立方晶系的热导率具有各相异性。6）所含杂质强烈影响热导率,第七章：材料热学性能 天津大学,三、声子导热机制 在绝大多数无机非金属的材料中，由于它的电子是被束缚的，因此不能成为导热的载体，不能用电子导热机构来解释无机非金属中的导热现象。无机非金属热能的传导是靠晶格振动来实现的。晶格振动的格波和物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞。格波在晶体中传播受到散射的过程，可以理解为声子与声子间以及声子与晶界、点阵缺陷等的碰撞。实践证明，这样的概念不仅是正确的，而且对处理晶体中的导热过程，会带来很大的方便。,第七章：材料热学性能 天津大学,根据德拜的设想，认为无机非金属材料中的导热过程是声子间的碰撞，它的导热系数的数学表示式与气体中的导热系数的数学表示式相同CV、v、l分别表示单位体积的声子热容、声子运动的平均速度和声子的平均自由程。从导热系数的表示式来看，影响无机非金属材料导热系数的主要因素之一：声子的平均自由程。平均自由程大小基本上是由两个散射过程决定的：1、声子间的碰撞引起的散射2声子与晶体的晶界、各种缺陷、杂质作用引起的散射,第七章：材料热学性能 天津大学,实际晶体中，热能在无机非金属材料内的传播是非谐性