高等材料性能学思维导图

U578161794

2024-09-23

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高等材料

性能学

学科内容

热学性能的物理基础，材料的热学性能等内容讲解

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思维导图大纲

第一章

热学性能的物理基础

晶格热振动

点阵中的质点（原子、离子）总是围绕其平衡位置作微小的振动

简谐振动和谐振方程

物体受力与偏离平衡位置的位移大小成正比，方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动叫简谐振动。x=Acos(2*π*t/T+φ)

物体的热量

温度高时动能加大，热振动的振幅和频率都增大，各质点热运动的动能总和为该物体的热量。

热振动的频率特性

弹性波

当某处物质粒子离开平衡位置，发生应变，其粒子会在弹性力的作用下发生振动，同时又引起周围粒子的应变和振动。

声频支振动

振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的位相差不大，格波类似于弹性体中的应变波。

可以看成是相邻原子具有相同的振动方向、频率较低的振动。

光频支振动

格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区。

可以看成是相邻原子具有相反的振动方向、频率很高的振动。

材料的热学性能

定义与应用

热容

热容的概念与分类

热容

比热容

摩尔热容

平均比热容

恒压比热容

恒容比热容

定容热容与定压热容

热容的理论

杜隆-珀蒂定律

柯普定律

热容的量子理论

由于1mol固体中有N个原子，把每个原子的振动看成是在三维方向上的独立振动的叠加，每个原子的热振动的自由度是3，因此1mol固体的振动可看成是3N个振动的合成振动，则1mol固体的平均能量为：

普朗克理论

爱因斯坦模型

三维量子谐振子能量量子化，在一定温度下，由N个原子组成的晶体的总振动能为：

德拜模型

修正了原子是独立谐振子的概念，考虑了晶格的集体振动模式，假设晶体是各向同性的连续弹性介质，原子的热运动以弹性波的形式发生--声频支振动。

影响热容的因素

固体材料

热容与材料的组织结构关系不大。

聚合物材料分子量大，相比其他类型材料热容高。

绝大多数氧化物、碳化物的热容都从低温时的一个低值增加到1273K左右的近似于3R，且保持不变。

相变

相变时热容出现突变，主要是因为热量发生了不连续变化，所以相变发生了突变。

一级相变：热容为无限大。

二级相变：热容急剧增大，至Tc时，焓达到最大值，热容为有限极大值。

不可逆转变：如回火转变，伴随转变产生的热效应是不可逆的。

热容的测量与分析

测量方法

测量原理：通过电热功的测量，换算出比热容

热分析方法

差热分析

差示扫描分析

热重分析

热膨胀

热膨胀系数

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀，物体的伸长与温度关系之间的比例系数称为膨胀系数。通常用热膨胀系数来表征材料的热膨胀性能。

热膨胀的机理

微观机制

势能曲线

晶格振动

热膨胀与其他性能的关系

热膨胀与热容的关系

热膨胀与结合能、熔点的关系

影响热膨胀系数的因素

材料键强度越高，热膨胀系数越小

晶体结构越紧密，热膨胀系数越大

化学组成

组成合金的溶质元素对合金热膨胀有明显影响。

材料发生相变时热膨胀系数也变化

热膨胀系数的测量

望远镜直读法

顶杆式间接法

金属线膨胀系数测量

热传导

材料的热传导及热导率

傅里叶定律：固体材料的两端存在温度差时，对于各向同性的物质存在下列关系式：

λ——热导率（导热系数），在一定的温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位W/m.K(J/m.s.K). 负号表示传递的热量ΔQ与温度梯度具有相反的符号。

热传导的微观机理

声子热导

光子热导

影响热传导性能的因素

对于晶体材料，热导率随温度的上升而下降。

多晶体热导率总是比单晶体小。

组成元素的原子量愈小，其热导率愈大；轻元素的固体或结合能大的固体热导率较大金属的热导率比合金高。

复相材料的热导率

气孔的热导率很小，与固体的热导率相比可近似看做零，公式：

导热系数的测量及应用

测量方法

应用实例

热稳定性

定义

又称抗热震性，是材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不破坏的能力。

热冲击损坏类型

抗热冲击断裂性

抗热冲击损伤性

热应力

材料在未改变外力作用状态时，仅因热冲击而在材料内部产生的内应力即是热应力。

热稳定性的表示方法

测试方法

评价标准

提高抗热冲击断裂性能的措施

材料改性

结构设计

工艺改进

一、研究内容思维导图

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北京鲁迅博物馆思维导图

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