材料物理及化学.ppt

材料物理与化学 第二部分 材料热物性学;1. 基本概念;1.2 热性能主要参量 密度ρ[kg/m3]、比体积V （比定压）热容Cp: [J/kg?K] 导热系数（热导率）?: [W/m?K] 导温系数a: [m2/s] 傅里叶导热定律： 非稳态 稳态;2. 微观导热机理; 在时间间隔dt内，通过微面积dF，区域I和区域II间传递的分子数为M。; 其中，n为单位体积内的分子数；V为分子平均速度。 每个分子平均热能W为： W=KTi/2 其中，K为波而兹曼常数；T为分子温度；i为分子的自由度。 因此传递的总热量为： ; 因为：(T1-T2)=-ldT/dx 和 代入后得： 根据傅里叶定律： 所以有： ;2.2 电子导热机理 2.2.1 电子热容与温度的关系 TT*时 TT*时 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： 其中?为特性能量。 在中等温度以下，RT/ ?非常小。所以这时平均速度与温度无关。 ;2.2.3 电子平均自由程与温度的关系 电子平均自由程由电子的散射过程决定。三个因素： 热运动产生位移、晶格弹性畸变、晶格断裂 中等温度时，热运动产生位移为主要因素，温度升高、平均自由程减小，温度与平均自由程成反比。 很低温度，位错和晶界为主要因素，它们基本固定不变，所以平均自由程为常数。;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。 2.3 声子导热机理 热能传导可以靠晶格振动来实现。根据量子理论，晶格振动的能量可以量子化。通常把晶格振动的“量子”称为“声子” 。 ; 声子导热的导热系数数学表示式为： 2.3.1 声子热容与温度的关系 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。 ;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 声子平均自由程的计算极为困难（缺陷、杂质、位移对声子的散射，以及散射耦合，数量、分布等），一般从实验数据得到声子平均自由程及其变化规律。 ; 低温度时，平均自由程的上限约等于晶粒直径的大小。随着温度的升高，平均自由程逐渐减小。一直到很高温度时，平均自由程达到下限值，约等于几个晶格间距。 2.3.4 声子导热与温度的关系 （1）很低温度 声子平均自由程接近其上限，热容与温度三次方成正比。所以导热系数与温度成三次方正比增大。; （2）较低温度（德拜温度以下） 热容仍与温度三次方成正比，平均自由程随温度升高逐渐减小。所以导热系数随温度升高而逐渐增大。 （3）较高温度（德拜温度以上） 热容基本不随温度变化，平均自由程随温度升高继续减小。所以导热系数随温度升高而逐渐减小。 （4）高温度时 热容仍然基本不变，平均自由程逐渐接近其下限。所以导热系数基本不变。;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。 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;3.1 金属材料的导热性能 电子导热是金属材料导热的主要机理，声子导热也起一定作用。金属材料导热性能通常很好。;3.2 无机非金属材料的导热性能 3.2.1 晶体 声子导热是无机非金属晶体材料导热的主要机理，光子的贡献只有透明体在很高温度下才表现出来。理想晶体导热系数很高。;3.2.2 非晶体 非晶体具有近程有序、远程无序的结构。通常近似地将它当作只有几个晶格间距大小的极小晶粒组成的“晶体”来处理。因此可以用声子导热机理来描述无机非金属非晶体材料的导热行为和规律。声子的平均自由程由低温下的晶粒直径大小变化到高温的几个晶格间距大小，因此其平均自由程在不同温度下基本是一个常数，其数值近似等于几个晶格间距。; 无机非金属非晶体材料在较高温度以上，还需要考虑光子导热的贡献。; 非晶体的导热系数在所有温度下都比晶体的要小；晶体与非晶体材料的导热系数在高温时比较接近。;3.3 有机材料的导热性能