材料物理性能总结ppt课件.ppt

LOGO材料力学性能1 材料的静拉伸力学性能1.11.1、 拉伸试件的形状和尺寸拉伸试件的形状和尺寸试件的标距长度试件的标距长度l l0 0比直径比直径d d0 0要大得多；通常，要大得多；通常，l l0 0=5d=5d0 0（短试样）或（短试样）或l l0 0=10d=10d0 0（长试样）（长试样）试 件 的 标 距 长 度试 件 的 标 距 长 度 l l0 0应 满 足 下 列 关 系 式 ：应 满 足 下 列 关 系 式 ：l l0 0=5.65A=5.65A0 01/21/2或或11.3A11.3A0 0 1/21/21.21.2、力、力伸长曲线伸长曲线 工程应力一工程应变曲线工程应力一工程应变曲线 真实应力应变曲线真实应力应变曲线LOGO性能指标屈服强度屈服强度 s s抗拉强度抗拉强度 b b延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率比例极限比例极限p p 弹性比功弹性比功 W We e弹性极限弹性极限e e 断裂强度断裂强度E E LOGOv比模数/比刚度v屈强比v颈缩条件：n=ev塑性断裂、脆性断裂类型v穿晶断裂、沿晶断裂、解理断裂、沿微孔穿晶断裂、沿晶断裂、解理断裂、沿微孔聚合型断裂聚合型断裂v断口特征：塑性断口、脆性断口性能指标LOGO1.3 非理想弹性v 1.3.1 1.3.1 滞弹性：滞弹性：v 1 1）正弹性后效，快速加载）正弹性后效，快速加载- -弹性蠕变。弹性蠕变。( (变形随着时间而延长的现象）变形随着时间而延长的现象）v 2 2）负弹性后效，快速卸载）负弹性后效，快速卸载- -反弹性后效。反弹性后效。v 1.3.2 1.3.2 粘弹性：粘弹性：v 1 1）应力松弛：恒应变条件下，应力随时间逐渐下降的现象。）应力松弛：恒应变条件下，应力随时间逐渐下降的现象。v 2 2）在恒应力条件下，应变随时间延长发生蠕变。）在恒应力条件下，应变随时间延长发生蠕变。v 1.3.3 1.3.3 伪弹性：伪弹性：v 在一定的温度条件下，应力达到一定水平之后，金属和合金诱发相变，使得在一定的温度条件下，应力达到一定水平之后，金属和合金诱发相变，使得材料伴随应力产生大量弹性变形的现象。材料伴随应力产生大量弹性变形的现象。v 应用，形状记忆合金。应用，形状记忆合金。v 1.3.4 1.3.4 包申格效应包申格效应v 产生了少量塑性变形的材料，再同向加载则弹性极限与屈服强度升高；反向产生了少量塑性变形的材料，再同向加载则弹性极限与屈服强度升高；反向加载则弹性极限与屈服强度降低的现象。加载则弹性极限与屈服强度降低的现象。LOGO2.2.材料在其他静加载下的力学性能材料在其他静加载下的力学性能v 2.12.1应力状态软性系数：最大切应力应力状态软性系数：最大切应力maxmax与最大正应力与最大正应力S Smaxmax之比，即之比，即=maxmax/S/Smaxmax v 值愈大，应力状态愈值愈大，应力状态愈“柔柔”，愈易变形而较不易开裂，愈易变形而较不易开裂，即愈易处于韧性状态。即愈易处于韧性状态。v 值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。v 2.22.2对于金属材料，特别是钢铁材料，结构钢常温下的力对于金属材料，特别是钢铁材料，结构钢常温下的力学性能由拉伸试验评定；工具钢常温下的力学性能由弯曲学性能由拉伸试验评定；工具钢常温下的力学性能由弯曲试验评定。试验评定。v 单向压缩时应力状态的柔度系数大，故用于测定脆性材料单向压缩时应力状态的柔度系数大，故用于测定脆性材料v 2.3 2.3 缺口试样静载力学性能：缺口效应、缺口敏感度缺口试样静载力学性能：缺口效应、缺口敏感度v 2.4 2.4 硬度硬度LOGOv3.1 一次冲击实验-冲击韧性： aK=Ak/Fnv 多次冲击实验-多冲抗力规律v （1）A较高时，取决于塑性，v A较低时，取决于强度v （2）不同的冲击能量要求不同的强度 和塑性配合v （3）akv对冲断抗力的影响v3.2 低温脆性低温脆性v 冲击吸收功-温度曲线3 3 材料的冲击韧性和低温脆性材料的冲击韧性和低温脆性LOGO格波：格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波。传播形成的波。 格波格波nn+2n-1n+1n-22 /q= 格波的特点格波的特点： 晶格中原子的振动；晶格中原子的振动； 相邻原子间存在固定的位相。相邻原子间存在固定的位相。2、格波与一般连续介质波的异同点？格波特点：晶格中原子的振动；相邻原子间存在固定的位相。格波与一般连续介质波相比较，相同点：振动方程形式类似。区别：1）连续介质波中x表示空间任意一点，而格波只取呈周期性排列的格点位置；2）一个格波解表示所有原子同时做频率为w的振动，不同原子间有位相差，相邻原子间位相差为aq；3）二者的重要区别在于波矢的涵义，同一振动状态对应多个波矢，或多个波矢为同一振动状态。1热性能的物理基础热性能的物理基础1.11.1晶格热振动晶格热振动LOGO1.2 低频率格波低频率格波:频率低、质点间位相差不大频率低、质点间位相差不大 声频支（类似弹性体中的应变波）声频支（类似弹性体中的应变波） 高频率格波高频率格波:频率高、质点间位相差很大频率高、质点间位相差很大 光频支（邻近质点的运动几乎相反）光频支（邻近质点的运动几乎相反）3、声学波和光学波的区别？LOGO 热容热容: 材料在温度变化时且无相变及化学反应条件下，材料在温度变化时且无相变及化学反应条件下，温度升高温度升高1K所吸收的热量。单位：所吸收的热量。单位：J/K。 比热容、质量热容、摩尔热容、平均比热容、比热容、质量热容、摩尔热容、平均比热容、 定压热容、定容热容定压热容、定容热容 （1） 与与 均是温度的函数均是温度的函数（2）（3） 实验上测定方便，但实验上测定方便，但 理论上更有意义。理论上更有意义。PVCCPCVCPCVC2 2、热容、热容LOGO2.1热容理论热容理论u假设条件：能量按自由度均分原则假设条件：能量按自由度均分原则：1)在平衡状态下，在平衡状态下，气体、液体和固体分子的任何一种运动形式的每一个自气体、液体和固体分子的任何一种运动形式的每一个自由度的平均动能都是由度的平均动能都是kT/2 。其中。其中k是波尔兹曼常数，是波尔兹曼常数，T是绝对温度。是绝对温度。2)固体中原子具有三个自由度，其平均动固体中原子具有三个自由度，其平均动能为能为3kT/2。3)固体中振动着的原子的动能与势能周期性固体中振动着的原子的动能与势能周期性变化，其平均动能和平均势能相等，所以一个原子平均变化，其平均动能和平均势能相等，所以一个原子平均能量为能量为3kT。4）一摩尔固体的能量：）一摩尔固体的能量：E=N03kT= 3RT 其中其中N0为阿伏伽德罗常数，为阿伏伽德罗常数，R为气体常数。为气体常数。5）所以固体摩尔热容）所以固体摩尔热容即杜隆珀替定律。即杜隆珀替定律。LOGOl 由上图可见由上图可见低温下固体的摩尔热容与低温下固体的摩尔热容与3R有很多的偏离。有很多的偏离。原原因是由于因是由于用气体分子运动的模型处理固体的热容过于简单用气体分子运动的模型处理固体的热容过于简单。l 模型认为质点的能量是可以连续变化的，而实际上固体中模型认为质点的能量是可以连续变化的，而实际上固体中原子振动的能量是量子化的，必须考虑量子效应。原子振动的能量是量子化的，必须考虑量子效应。l 实际上，温度对材料的实际上，温度对材料的热容有影响。热容有影响。l 而杜隆而杜隆-珀替定律认为与珀替定律认为与温度无关，与实验事实温度无关，与实验事实不符合。不符合。LOGO爱因斯坦模型假设爱因斯坦模型假设：晶体中所有原子都以相同的角频率：晶体中所有原子都以相同的角频率E振振动，且各振动相互独立。一摩尔晶体的平均能量动，且各振动相互独立。一摩尔晶体的平均能量其中其中称为爱因斯坦温度，一般为称为爱因斯坦温度，一般为100 -300K。晶格热振动的摩尔热容晶格热振动的摩尔热容量子理论量子理论LOGO高温时高温时T 0很大，很大，E/T 1 ，所以，所以T 0则则CmV 0，与实验相符。，与实验相符。但但CmV按指数规律快速下降，比实验值更快地趋于零。按指数规律快速下降，比实验值更快地趋于零。LOGO（3）德拜）德拜( Debye ) 热容模型热容模型德拜热容模型假设德拜热容模型假设：晶体是各向同性连续介质，晶格振动：晶体是各向同性连续介质，晶格振动具有从具有从0-m的角频率分布。的角频率分布。晶体的平均能量晶体的平均能量令令为为德拜温度德拜温度LOGO则有则有当当N=N0，得，得摩尔热容摩尔热容高温时高温时 T 0 很大，很大，D/T 1 ，所以，所以CmV 3N0k=3R，即杜隆珀替定律。，即杜隆珀替定律。LOGO温度很低时温度很低时 T 0 ，D/T ，其中其中b为常数，此式即德拜三次方定律。为常数，此式即德拜三次方定律。理论计算与实际相吻合理论计算与实际相吻合LOGO德拜模型的优点与不足德拜模型的优点与不足u 没有考虑电子温度，而对金属而言低温下热容基本由没有考虑电子温度，而对金属而言低温下热容基本由 电子贡献，正比于电子贡献，正比于T。u 解释不了超导现象。解释不了超导现象。u 对某些化合物的计算结果与实验不符，原因在于德拜对某些化合物的计算结果与实验不符，原因在于德拜 认为认为D D与温度无关，且把晶体当作连续介质处理与温度无关，且把晶体当作连续介质处理。优点：优点：不足：不足：u 德拜模型的结论与低温试验结果是一致的。德拜模型的结论与低温试验结果是一致的。LOGO作业答疑v 4、简述爱因斯坦模型、德拜模型的特点和不足？v 爱因斯坦模型假设条件：1）每个原子都是一个独立的振子2）原子之间彼此无关3）原子之间都是以相同的角频率w振动。不足：1）把每个原子当作一个三维的独立简谐振子绕平衡点振动2）忽略了各格波的频率差别，其假设过于简化。v 德拜模型假设条件:1)考虑晶体中原子的相互作用，晶格近似为连续介质2）晶体振动的长声学波-连续介质的弹性波3）在低温频率较低的格波对热容有重要贡献等。不足：1）非常低的温度下只有长波的激发是主要的，对于长波晶格是可以看做连续介质的。对于较复杂的结构有各种高频振动耦合，不适用2）没有考虑电子的贡献，无法解释超导现象v 5、根据金属材料的结构特点，分析讨论金属材料热容的特点及影响因素？v 金属结构特点：1）有大量自由电子2）自由电子组成电子气在正离子实背景下运动3）遵守泡利不相容原理。v 无机材料的热容和材料结构关系不大，而金属材料在温度很高和很低的情况下，自由电子和离子(晶格)振动对热容的贡献都有考虑。LOGO材料升高一度，需吸收的热量不同，吸收热量小，热材料升高一度，需吸收的热量不同，吸收热量小，热损耗小，同一组成，质量不同热容也不同，质量轻，损耗小，同一组成，质量不同热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉体迅速升温，同时降低热量损耗。体迅速升温，同时降低热量损耗。根据热容选材根据热容选材LOGO1. 1. 运输性质变化运输性质变化2. 2. 热力学性质（比热等）变化热力学性质（比热等）变化3. 3. 溶解（固相转变为液相）溶解（固相转变为液相）4. 4. 凝固（液相转变为固相）凝固（液相转变为固相）5. 5. 升华（固态直接转变为气态）升华（固态直接转变为气态）6. 6. 凝华（气态直接转变为固态）凝华（气态直接转变为固态）7. 7. 相变相变8. 8. 热释电效应热释电效应9. 9. 热分解和热裂解热分解和热裂解10.10.热稳定热稳定热物理性质变化热物理性质变化LOGO3、材料的热膨胀、材料的热膨胀热膨胀现象热膨胀现象l 现象：热膨胀是指常压下材料的长度或体积随温度升高现象：热膨胀是指常压下材料的长度或体积随温度升高而增大。而增大。l 设材料的初始长度（体积）为设材料的初始长度（体积）为l0(V0) ，升温后的增量为，升温后的增量为 l(V) ，则有，则有l 其中其中 和和 分别称为平均线膨胀系数和平均体膨胀系数。分别称为平均线膨胀系数和平均体膨胀系数。l 在某一温度，有：在某一温度，有：其中其中 和和 分别称为线膨胀系数和体膨胀系数。分别称为线膨胀系数和体膨胀系数。LOGO温度升高温度升高 T后的长度和体积分别为后的长度和体积分别为对立方体材料，有对立方体材料，有所以所以同理同理若各向异性晶体各晶轴方向的线膨胀系数分别为若各向异性晶体各晶轴方向的线膨胀系数分别为a, b, c,则则Va+b+cLOGO非简谐振动理论解释热膨胀机理。非简谐振动理论解释热膨胀机理。可从以下两可从以下两 方面解释：方面解释： （1）原子间力）原子间力原子间距曲线原子间距曲线 （2）原子势能）原子势能原子间距曲线原子间距曲线3.1热膨胀机理热膨胀机理质点在平衡位置两侧受力不对称，即质点在平衡位置两侧受力不对称，即合力曲线的斜率不等。合力曲线的斜率不等。当当r ro时，曲线的斜率较大，斥力随时，曲线的斜率较大，斥力随位移增大的很快，所受合力大。位移增大的很快，所受合力大。当当r ro时，曲线的斜率较小，吸引力时，曲线的斜率较小，吸引力随位移增大的较慢，所受合力小。随位移增大的较慢，所受合力小。如果质点在平衡点两侧受力不对称越如果质点在平衡点两侧受力不对称越显著，温度增大，膨胀就越大，晶胞显著，温度增大，膨胀就越大，晶胞参数越大。参数越大。LOGO势能曲线不是严格对称抛物线。势能曲线不是严格对称抛物线。即势能随原子间距的减小，比随即势能随原子间距的减小，比随原子间距的增加而增长得更迅速。原子间距的增加而增长得更迅速。由于原子的能量随温度的增加而由于原子的能量随温度的增加而增加，结果：增加，结果：振动原子具有相等势能的两个极振动原子具有相等势能的两个极端位置间的平均位置就漂移到比端位置间的平均位置就漂移到比0K时（时（ro）更大的值处。由此造）更大的值处。由此造成平衡距离的增大。成平衡距离的增大。用势能曲线解释用势能曲线解释E3(T3)E2(T2)E1(T1)U(r)距离距离rroABab6、用双原子模型讨论固体 材料热膨胀的物理本质？LOGO热膨胀与热容热膨胀与热容 由于二者引起的机理一致，故变化趋势相同。高温下由于二者引起的机理一致，故变化趋势相同。高温下由于热平衡缺陷，造成点阵畸变，故由于热平衡缺陷，造成点阵畸变，故增大较显著。增大较显著。Al2O3 的比热容、线膨胀系数与温度的关系的比热容、线膨胀系数与温度的关系3.2热膨胀与其他性能的关系热膨胀与其他性能的关系VVrcKVLOGO热膨胀与温度、热容的关系热膨胀与温度、热容的关系T/oC V比热容比热容VVrcKV晶格振动加剧晶格振动加剧引起体积膨胀引起体积膨胀( V) V、 Cv与温度有相似的规律与温度有相似的规律VC吸收能量升高单位温度LOGO热膨胀与熔点热膨胀与熔点 二者均与结合能有关。结合能越大，则熔点二者均与结合能有关。结合能越大，则熔点越高，而越高，而越小。格留乃申方程反映了这种越小。格留乃申方程反映了这种相反的变化趋势。相反的变化趋势。 Tm =（V TmV0）/ V0常数（常数（C） 其中：其中： Tm熔点；熔点； V Tm熔点时的体积；熔点时的体积； V00K时的体积时的体积LOGO固体材料的热膨胀与点阵中质点的位能有关，而质点的固体材料的热膨胀与点阵中质点的位能有关，而质点的位能由质点间的结合力特性所决定，结合力强，势能曲位能由质点间的结合力特性所决定，结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。热膨胀系数小。单质材料单质材料 ro(10-10m) 结合能结合能103J/mol 熔点熔点 (oC) l(10-6)金刚石金刚石1.54712.335002.5硅硅2.35364.514153.5锡锡5.3301.72325.3热膨胀与结合能、熔点的关系热膨胀与结合能、熔点的关系LOGO 结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致膨胀系数较大，对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致膨胀系数较大，约在约在6810-6/ 0C，升高到德拜特征温度时，增加到，升高到德拜特征温度时，增加到 101510-6/ 0C。如：如：MgO、 BeO、 Al2O3、 MgAl2O4、BeAl2O4都具有相当大的膨都具有相当大的膨胀系数。胀系数。固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅加大，原子间距离增加时，部分被结构内部空隙所容纳，加大，原子间距离增加时，部分被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀就小。宏观膨胀就小。如：石英如：石英 1210-6 /K ，石英玻璃，石英玻璃0.510-6/K热膨胀与结构的关系热膨胀与结构的关系LOGOH2NaClU(r)r离子键势能曲线的对称性比共键键的势能曲线差，所离子键势能曲线的对称性比共键键的势能曲线差，所以随着物质中离子键性的增加，膨胀系数也增加。另以随着物质中离子键性的增加，膨胀系数也增加。另一方面，化学键的键强越大，膨胀系数越小。一方面，化学键的键强越大，膨胀系数越小。3.3影响热膨胀的因素影响热膨胀的因素（1） 化学键型化学键型LOGO（2）温度变化时发生晶相转变，引起体积膨胀）温度变化时发生晶相转变，引起体积膨胀. （g/cm3）：）：如：单斜如：单斜ZrO2 四方四方ZrO2 5.56 6.1 6.27 立方立方ZrO2 液相液相27150C11700C23700CLOGO（3）相变伴随的点阵重构引起附加的）相变伴随的点阵重构引起附加的L，而，而 L/ T（4）相组成、合金成分：）相组成、合金成分：粗略粗略符合符合“加和加和”规规则。则。 ii7、影响热膨胀的因素？LOGO一、热传导的基本概念和定律一、热传导的基本概念和定律 当固体材料两端存在温度差时，热量会自动地从热端传向冷端的现象，称为热传导 (Thermal conduction)。式中：热导率或导热系数，单位Wm-1K-1。1. 傅立叶定律和热导率 流过与热流垂直的某一面元的热量，与面元的面积、时间和该处的温度梯度成正比： 物理意义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位横截面的热量。反映了材料的导热能力。xTStQdxdTSdtdQ或4、热传导、热传导8、傅里叶定律的公式和内容？LOGO4.1热传导的微观机理热传导的微观机理 热量是由电子运动、质点振动、热辐射所传递引起的。 热传导机制相应地分为三种： 声子机制、光子机制、电子机制 热传导机制热传导机制声子机制声子机制光子机制光子机制电子机制电子机制LOGO 热传导过程就是材料内部的能量传输过程。不同材料的导热机构不同，固体中的导热主要由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现。导热机制固体材料及条件电子热导声子热导光子热导纯金属合金或半导体绝缘体极高温气体导热分子间直接碰撞；金属导热自由电子间碰撞；固体导热晶格振动的格波声子碰撞，并且格波分为声频支和光频支两类。LOGO（1）声子导热）声子导热声子热传导可视为声子声子碰撞的结果，声子热传导过程-声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程：。式中：c为单位体积中声子的比热、v为声子的运动速度、l为声子两次碰撞间走过的路程为声子自由程。热容c在高温时接近常数，在低温时随T3变化；声子速度v仅与晶体密度和弹性力学性质有关，可视为一常数。主要讨论影响声子的自由程 l的因素。lLOGO对于声子热导而言，热阻来源于声子扩散过程中的各种散射。影响热传导性质的声子散射主要有四种机构：（1）声子的碰撞过程 声子间碰撞概率越大，平均自由程越小，热导率越低。 声子的平均自由程随温度升高而降低：低温下l值的上限为晶粒的线度；高温下l值的下限为几个晶格间距。（2）点缺陷的散射 散射强弱与点缺陷的大小和声子波长的相对大小有关。在低温时，为长波，波长比点缺陷大的多，犹如光线照射微粒一样，平均自由程与T4成反比；在高温时，波长和点缺陷大小相近，平均自由程为一常数。（3）晶界的散射 晶界散射和晶粒的直径d成反比，平均自由程与d成正比。（4）位错的散射 在位错附近有应力场存在，引起声子的散射，其散射与T2成正比。平均自由程与T2成反比。LOGO导热系数与温度的关系较高温度：一般在室温以上，由晶体不完整性引起的声子散射与温 度无关；声子-声子散射起主导作用；较低温度：声子-声子间散射对平均自由程影响迅速减小，晶体不完整性、缺陷的散射直接影响和决定自由程的大小。 LOGO（2）电子导热）电子导热u与声子导热类似，对电子导热也有：与声子导热类似，对电子导热也有：电子导热系数电子导热系数其中其中为电子对热容的贡献，为电子对热容的贡献， ve 为其平均速度，为其平均速度，l 为其平均自由程。为其平均自由程。lLOGO 自由电子的比热容越大，则电子从高温区向低温区运动时，携带的能量越多；电子的运动速度越高，则单位时间内有更多的电子通过所考虑的截面；电子的平均自由程是电子在运动中相邻两次碰撞的平均距离。实际材料的导热实际材料的导热纯金属的导热机理纯金属的导热机理对金属有：对金属有：所以所以即金属的主要传热机制是电子导热，具有高导热系数。即金属的主要传热机制是电子导热，具有高导热系数。LOGO合金的导热合金的导热l 合金中的杂质原子对电子起散射作用，杂质浓度上升，合金中的杂质原子对电子起散射作用，杂质浓度上升，e降低，降低， kte降低，降低，导热是声子和电子的共同的贡献导热是声子和电子的共同的贡献。u杂质越多，杂质越多，kt越低，越低，在原子浓度在原子浓度50处处达到最低。达到最低。LOGO光子热导（辐射传热）固体中的分子、原子和电子 电磁波（光子）振动、转动电磁波覆盖了一个较宽的频谱。其中具有较强热效应的在可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程-热辐射。热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过程类似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。光子的导热过程光子的导热过程-光子在介质中的传播过程。光子在介质中的传播过程。（3）光子导热）光子导热高温时材料中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变会辐射出电磁波，波长在400-40000nm 的可见光和红外线有较强的热效应。LOGO固体中辐射传热过程的定性解释：吸收辐射热稳定状态热稳定状态T1T2能量转移对于完全不透明的介质，lr=0，辐射传热可以忽略。对于辐射线是不透明的介质，热阻大，lr很小，大多数陶瓷，一些耐火材料在1773 K高温下辐射才明显；对于辐射线是透明的介质，热阻小，lr较大，如：单晶、玻璃，在773-1273 K辐射传热已很明显；9、简述固体材料的热传导机制？LOGO温度很低时，声子的平均自由程l基本无多大变化，处于上限值（晶粒尺寸），主要是热容c对热导率有贡献。 近似与T3成比例地变化。40 K 1600 K exp(D/2T)热辐射氧化铝单晶的热导率随温度的变化T3 在更高的温度，c已基本无变化，l值也逐渐趋于下限，所以随温度的变化又变得缓和。在达到1600 K的高温后，值有少许回升，这是高温时辐射传热的贡献。温度继续升高，c随温度T的变化不再与T3成比例，并在德拜温度以后趋于一恒定值。而l值因温度升高而减小，成了主要影响因素。因此，值随温度升高而迅速减小。这样，在某个低温处(40 K)，值出现极大值。热传导的影响因素1. 温度的影响LOGO2. 化学组成的影响 不同组成的晶体，热导率往往有很大差异。这是因为构成晶体的质点的大小、性质不同，它们的晶格振动状态不同，传导热量的能力也就不同。质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，德拜温度愈高，则热导率愈大。 轻元素的固体和结合能大的固体，热导率较大。 如金刚石的热传导系数比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片。1.710-2 W/(mK)，比较重的硅、锗的高（Si、Ge的分别为1.010-2和0.510-2 W/(mK)）。 较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具有较高的热传导系数，如：BeO，SiC。线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：晶格偏离谐振程度越大，热阻越大。 LOGO 固溶体的形成降低热导率，而且取代元素的质量和大小与基质元素相差愈大，取代后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。 在杂质浓度很低时，杂质效应十分显著。所以在接近纯MgO或纯NiO处，杂质含量稍有增加，值迅速下降。随着杂质含量的增加，这个效应不断减弱。 杂质效应在473 K比1273 K要强。若低于室温，杂质效应会更强烈。固溶体MgO-NiO的热导率LOGO3. 结构的影响 结晶构造的影响。晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大，格波受到的散射愈大。因此，声子平均自由程较小，热导率较低。 例如：镁铝尖晶石的热导率比A12O3和MgO的热导率都低。莫来石的结构更复杂，所以热导率比尖晶石还低得多。 各向异性晶体的热导率。非等轴晶系晶体的热导率呈各向异性。温度升高时，不同方向的热导率差异减小。这是因为温度升高，晶体的结构总是趋于更好的对称。 例如：石英、金红石、石墨等都是在膨胀系数低的方向热导率最大。LOGO 多晶体与单晶体的热导率。对于同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶小。多晶体中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界处杂质也多，声子更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以热导率小。原因随温度升高，多晶体与单晶体热导率的差异变大。几种无机材料单晶和多晶的 -T关系LOGO 玻璃具有近程有序、远程无序的结构。近似地把它当作由直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的“晶体”。可以用声子导热的机构来描述玻璃的导热行为和规律。 声子的平均自由程由低温下的晶粒直径大小变化到高温下的几个晶格间距的大小。因此，对于晶粒极细的玻璃来说，它的声子平均自由程在不同温度将基本上是常数，其值近似等于几个晶格间距。 玻璃的热导率主要由热容与温度的关系决定，在较高温度以上则需考虑光子导热的贡献。 非晶体的热导率。LOGOa、在中低温 (400-600 K)以下，光子导热的贡献可忽略。温度升高，热容增大，玻璃的热导率不断上升。b、从中温到较高温度 (600-900 K)，随着温度的不断升高，声子热容不再增大，逐渐为一常数，但此时光子导热开始增加，玻璃的T曲线开始上扬。c、温度高于900 K，光子热导率随温度升高而急剧增大，因此曲线急剧上扬。三个阶段LOGO复相材料的热导率复相材料的热导率许多陶瓷是分散相均匀分布于连续相中。许多陶瓷是分散相均匀分布于连续相中。复相合金和复合材料也如此。复相合金和复合材料也如此。复相材料的热导率复相材料的热导率l 其中其中 =kc/kd是连续相和分散相的导热系数之比，是连续相和分散相的导热系数之比，Vd是分散是分散相的体积分数。相的体积分数。l 若将陶瓷晶粒看成分散相，晶界（玻璃相）当作连续相，若将陶瓷晶粒看成分散相，晶界（玻璃相）当作连续相，可计算陶瓷的热导率。可计算陶瓷的热导率。l 若将若将 若将固体看成连续相，气孔看成分散相，则由于气孔若将固体看成连续相，气孔看成分散相，则由于气孔热导率热导率kd0，有，有即气孔增多，热导率降低即气孔增多，热导率降低用多孔陶瓷保温。用多孔陶瓷保温。LOGO4. 气孔率的影响(1) 当温度不很高（一般500 ），气孔率不大，气孔尺寸很小又均匀分散在陶瓷介质中时（气孔可看为分散相），与固相相比，气相的热导率近似为零，有：）气孔1 (s陶瓷固相热导率气孔的体积分数(2) 当温度高于500 时，要考虑气孔的辐射传热；(3) 当材料内孔洞很大，且有一定贯穿性，易产生对流传热。在不改变结构状态下，气孔率增大导致热导率降低。刚玉和莫来石1000 下热导率与孔隙率的关系10、简述气孔对材料热传导的影响规律？LOGO材料电学性能v导电性能v 1. 评定材料导电性的基本参数v 2.导体、半导体、绝缘体的划分v 3.导电机理v 1） 经典自由电子论经典自由电子论 不考虑电子与电子、电子与离不考虑电子与电子、电子与离子之间的相互作用子之间的相互作用 2） 量子自由电子论：价电子量子化、离子实势场均匀量子自由电子论：价电子量子化、离子实势场均匀v 3） 能带理论：考虑原子核势场、电子平均势场，且势能带理论：考虑原子核势场、电子平均势场，且势场呈周期性变化。场呈周期性变化。LOGO作业答疑v 1.试说明量子自由导电理论与经典导电理论的异同。 v （1）经典电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，他们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此称为“电子气”。自由电子的运动遵循经典力学气体分子的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用仅仅是类似于机械碰撞而已。 在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各个方向运动的几率相同，因此不产生电流。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作加速运动，从而形成电流。 v 在自由电子定向运动过程中，要不断地与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。 （2）量子自由电子理论：和经典电子理论一样，量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动。但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。LOGO能带理论导体、绝缘体、半导体能带结构特点导体、绝缘体、半导体能带结构特点满带满带空带空带导带导带价带价带禁带禁带允带允带空穴导电空穴导电本征导电本征导电LOGO超导电性v超导现象、超导体、超导转变温度v超导体的基本特性v超导体的重要特征v影响材料导电性的因素v1）温度的影响v2）冷塑性变形和应力的影响v3）合金化的影响LOGO作业答疑v 2、为什么金属的电阻因温度升高而增大，而半导体的电阻却因温度的升高而减小？ v 对金属材料，尽管温度对有效电子数和电子平均速率几乎没有影响，然而温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由程减小，散射几率增加而导致电阻率增大。 v 半导体当温度升高时，满带中有少量电子有可能被激发到上面的空带中去，在外电场作用下，这些电子将参与导电。同时，满带中由于少了一些电子，在满带顶部附近出现了一些空的量子状态，满带变成了部分占满的能带，在外电场作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用。 v 3、表征超导体性能的3个主要指标是什么？超导体性能的三个主要指标为： 临界转变温度TC，即成为超导态的最高温度； v 临界磁场HC，即能破坏超导态的最小磁场，HC的大小与超导材料的性质有关； 临界电流密度JC，即材料保持超导状态的最大输入电流。LOGO热电性能v帕尔贴效应-接触热电势v汤姆逊效应-温差热电势v塞贝克效应v应用：热电偶的工作原理v半导体的敏感效应及其应用v 6、将两种不同金属联成回路，如果两接触点温度不同，在回路中产生哪些热电效应？v 7.半导体有哪些导电敏感效应？v 答：一.热敏效应；二.压敏效应（包括电压敏感和压力敏感效应）；三.光敏效应；四.磁敏效应（包括霍尔效应和磁阻效应）。还有气敏效应、热磁效应、光磁效应、热电效应等。LOGO介电性能v电介质v介质极化v极化率v极化强度v电子位移极化、空间电荷极化、偶极子取向极化v介电常数v介质损耗v抗电强度v 8、电介质有哪些主要的性能指标？LOGOv 9、电介质为什么会产生介电损耗？v 电介质材料在交变电场作用下由于发热而消耗的能量称为介电损耗。原因：电导（漏导）损耗：通过介质的漏导电流引起的电流损耗。极化损耗：电介质在电场中发生极化取向时，由于极化取向与外加电场有相位差而产生的极化电流损耗。还有电离损耗、结构损耗和宏观结构不均匀的介质损耗。介电损耗越小越好。 v 10、绝缘材料有哪些主要损坏形式？v 答：绝缘材料的损坏形式主要为击穿，包括电击穿、热击穿和化学击穿三种。 v 电击穿：材料的电击穿是一个“电过程”，即仅有电子参加。是在强电场作用下，原来处于热运动状态的少数“自由电子”的定向运动加速而产生“雪崩”现象，导致介质击穿，电击穿是瞬间完成的。 v 热击穿：绝缘材料在电场下工作，由于各种形式的损耗，部分电能转变成热能，使材料被加热，当温度超过一定限度时，材料出现烧裂、熔融等现象，丧失绝缘能力。 v 化学击穿：绝缘材料在高温、潮湿、高电压或腐蚀性环境下工作，由于电解、腐蚀、氧化、还原等原因而导致丧失绝缘能力。LOGO压电、铁电、热释电v压电、铁电、热释电关系v压电性能参数v热释电效应v铁电体特征v 3、材料压电性能的主要参数有哪些？v 5、什么是铁电体？铁电体有哪些共同特性？v 具有铁电性的晶体称为铁电体(教材中有详细定义)v （1）电滞回线（2）结构相变温度，即居里点（3）临界特性v 6、什么是热释电效应？其大小如何表征？试述常用的热释电材料及其应用领域。(见教材)v 7、压电体、热释电体和铁电体在晶体结构上有什么区别？ (见教材)LOGO磁学性能v磁化v磁化强度v磁化率v磁导率v抗磁性v顺磁性v铁磁性v反铁磁性v亚铁磁性LOGOv 2、试说明磁化强度与附加磁场强度的一致性。v 被磁化介质产生附加磁场磁学PPT12-14)v 3、物质中为什么会产生抗磁性？v 在磁场作用下，物质内部电子的循轨运动循轨运动产生抗磁性。LOGOv磁各向异性v磁致伸缩v磁畴v磁畴结构的形成 6、铁磁性材料中为什么会形成磁畴？(磁学PPT34-39)v磁化曲线v磁滞回线v退磁曲线v软磁材料v硬磁材料LOGOv 5、试说明材料产生铁磁性的条件？v 答：产生铁磁性的条件：它的原子有未被抵消的自旋磁矩；v 同时必须使自旋磁矩自发地同向排列。v 7、简述铁磁材料中的磁化过程？v 磁化过程分为3种不同的磁化阶段：弱磁场中的起始磁化阶段，中等磁场中的不可逆磁化阶段，较强磁场中的磁化缓慢增加阶段。v 8、试说明软磁材料、硬磁材料的主要性能标志？v 软磁材料的磁滞回线瘦小，具有高导磁与低Hc等特性。硬磁材料的磁滞回线肥大，具有高的Hc、Br与(BH)m等特性。LOGO光学性能v光与固体相互作用v折射、反射、透射、吸收、散射v双折射、全反射、选择性吸收、光透过性v材料的发光v荧光、磷光、激光v自发辐射、非自发辐射