1、熱學性質熱學性質材料科學與工程導論講義本章關心的內容1.1.熱膨脹熱膨脹2.2.熱容量熱容量3.3.導熱性導熱性 實際應用：實際應用： 熱雙金屬帶用作恒溫器的開關熱雙金屬帶用作恒溫器的開關 隔熱材料用于航天飛機和保護服裝隔熱材料用于航天飛機和保護服裝 抗熱沖擊炊具抗熱沖擊炊具 鋼化玻璃鋼化玻璃材料科學與工程導論講義1. 1. 聲子的粒子性聲子的粒子性光子光子-電磁波的能量量子。電磁波可以認為是光子流，電磁波的能量量子。電磁波可以認為是光子流，光子攜帶電磁波的能量和動量。光子攜帶電磁波的能量和動量。聲子聲子-聲子攜帶聲波的能量和動量。若格波頻率為聲子攜帶聲波的能量和動量。若格波頻率為 ，波矢波矢

2、q q為，則聲子的能量為為，則聲子的能量為 ，動量為，動量為q q。聲子和物質相互作用服從能量和動量守恒定律，如同具有能聲子和物質相互作用服從能量和動量守恒定律，如同具有能量量 和動量和動量 q q的粒子一樣。的粒子一樣。晶格振動的量子化晶格振動的量子化 -聲子聲子材料科學與工程導論講義可以將格波與物質的互作用過程，理解為聲子和物質的碰撞過程，可以將格波與物質的互作用過程，理解為聲子和物質的碰撞過程，使問題大大簡化，得出的結論也正確。如，電子、光子、聲子等。使問題大大簡化，得出的結論也正確。如，電子、光子、聲子等。準粒子性的具體表現：聲子的動量不確定，波矢改變一個周期準粒子性的具體表現：聲子的

3、動量不確定，波矢改變一個周期（倒格矢量）或倍數，代表同一振動狀態，所以不是真正的動量；（倒格矢量）或倍數，代表同一振動狀態，所以不是真正的動量；系統中聲子的數目一般用統計方法進行計算，具有能量為系統中聲子的數目一般用統計方法進行計算，具有能量為E Ei i的狀的狀態用出現的幾率來表示。態用出現的幾率來表示。2. 2. 聲子的準粒子性聲子的準粒子性3. 3. 聲子概念的意義聲子概念的意義材料科學與工程導論講義2 2 熱膨脹系數熱膨脹系數一般物質具有熱脹冷縮性一般物質具有熱脹冷縮性 負膨脹材料負膨脹材料 取向的高分子材料取向的高分子材料 ZrWZrW2 2O O8 8 Sc Sc2 2W W3 3

4、O O1212線膨脹系數和體膨脹系數線膨脹系數和體膨脹系數材料科學與工程導論講義熱膨脹的機理熱膨脹的機理 晶格振動晶格振動-簡諧振動簡諧振動-溫度的升高不改變平衡位置溫度的升高不改變平衡位置-熱量轉變不會改變晶體的大小和形狀。（熱量轉變不會改變晶體的大小和形狀。（wrongwrong） 晶格振動中相鄰質點間的作用力時間上是非線性的。晶格振動中相鄰質點間的作用力時間上是非線性的。 鍵能曲線的非對稱性鍵能曲線的非對稱性 （次要因素（次要因素 晶體中的各種熱缺陷）晶體中的各種熱缺陷）材料科學與工程導論講義影響熱膨脹系數的因素 材料熱膨脹系數主要與其化學組成、晶體結構和鍵強度等材料熱膨脹系數主要與其化

5、學組成、晶體結構和鍵強度等密切相關。密切相關。1.1.鍵強度高，鍵強度高， 熱膨脹系數低熱膨脹系數低2.2.通常結構緊密的晶體熱膨脹系數都較大，而類似非晶態通常結構緊密的晶體熱膨脹系數都較大，而類似非晶態玻璃那樣結構比較松散的材料，則熱膨脹系數比較小。玻璃那樣結構比較松散的材料，則熱膨脹系數比較小。材料科學與工程導論講義原子鍵特征對熱膨脹系數的影響1.1.熱塑性高分子材料熱塑性高分子材料2.2.熱固性高分子材料熱固性高分子材料3.3.晶態材料中，金屬的熱膨脹系數最高晶態材料中，金屬的熱膨脹系數最高4.4.許多陶瓷晶體結構的堆垛因子較低許多陶瓷晶體結構的堆垛因子較低材料科學與工程導論講義熱膨脹系

6、數的測定以及應用測量方法：光學膨脹儀法、電感式膨脹儀法、電容式膨脹儀法測量方法：光學膨脹儀法、電感式膨脹儀法、電容式膨脹儀法 應用應用 陶瓷上釉陶瓷上釉 電子管封接電子管封接 精密儀器儀表精密儀器儀表 膨脹分析在材料科學研究中膨脹分析在材料科學研究中材料科學與工程導論講義3 熱容熱容的標準定義是：熱容的標準定義是：“當一系統由于加給一微小的熱量當一系統由于加給一微小的熱量QQ而溫度升高而溫度升高dTdT時，時，QQ/ /dTdT 這個量即是熱容。這個量即是熱容。”（GB3102.4-GB3102.4-9393） 1 1 經典熱容理論經典熱容理論 2 2 固體熱容的量子理論固體熱容的量子理論材料

7、科學與工程導論講義熱分析的應用1.1.差熱分析（差熱分析（differential thermal analysis ,DTAdifferential thermal analysis ,DTA）2.2.差示掃描量熱法（差示掃描量熱法（differential scanning differential scanning calarmeutrycalarmeutry, DSC, DSC）3.3.熱重法熱重法( (themogrivimetrythemogrivimetry, TG), TG)材料科學與工程導論講義4 熱傳導機理熱量傳導的方向是從高溫區到低溫區。用來描述物質傳送熱熱量傳導的方向是

8、從高溫區到低溫區。用來描述物質傳送熱量能力的性能參量是熱導率。量能力的性能參量是熱導率。 xTKAtA1材料科學與工程導論講義熱傳導微觀機理材料的原子結構與其傳熱能力之間的關系材料的原子結構與其傳熱能力之間的關系熱量在物質中通過兩種機制傳導：熱量在物質中通過兩種機制傳導： 晶格振動（聲子）晶格振動（聲子） 自由電子移動自由電子移動這兩種機制主要依賴于材料電子能帶結構的特征這兩種機制主要依賴于材料電子能帶結構的特征 金金 屬屬 自由電子自由電子 半導體半導體 聲子和自由電子聲子和自由電子 絕緣體絕緣體 聲子聲子材料科學與工程導論講義影響熱導率的因素熱載流子（聲子、電子、或者二者共存）的數量熱載流

9、子（聲子、電子、或者二者共存）的數量N N載流子的平均速度載流子的平均速度在被晶格散射之前，載流子的平均移動距離。在被晶格散射之前，載流子的平均移動距離。)(_iiiiNcKNK材料科學與工程導論講義溫度對K的影響材料科學與工程導論講義金屬、陶瓷、聚合物的熱導率1. 金屬金屬 大量的自由電子大量的自由電子 高熱導率高熱導率 電導率與熱導率的關系電導率與熱導率的關系2. 2. 晶態陶瓷晶態陶瓷 聲子導熱機制，以下有利于提高熱導率聲子導熱機制，以下有利于提高熱導率 較開放的晶體結構較開放的晶體結構 簡單的晶體結構簡單的晶體結構 原子或者離子具有相同的尺寸和質量原子或者離子具有相同的尺寸和質量 非晶

10、態陶瓷材料的熱導率一般低于對應的晶態材料。非晶態陶瓷材料的熱導率一般低于對應的晶態材料。 原子尺度的晶體缺陷降低熱載流子的遷移率。原子尺度的晶體缺陷降低熱載流子的遷移率。材料科學與工程導論講義3 3 高分子材料具有相當低的熱導率。高分子材料具有相當低的熱導率。隔熱材料實例：隔熱材料實例： 聚苯乙烯泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料 多孔陶瓷材料多孔陶瓷材料 材料科學與工程導論講義熱擴散率在穩態條件下，影響熱傳導的在穩態條件下，影響熱傳導的-熱導率熱導率在非穩定態條件下熱擴散率在非穩定態條件下熱擴散率22xTDtTth材料科學與工程導論講義5 熱應力TEEthmth材料科學與工程導論講義材料科學與工程導論講義材料科學與工程導論講義6 應用 1 1 雙金屬帶雙金屬帶材料科學與工程導論講義2 2 隔熱器隔熱器 低密度玻璃纖維基體隔熱材料低密度玻璃纖維基體隔熱材料 航天飛機航天飛機 陶瓷瓦片陶