材料物理性能热学性能

材料物理性能无机材料专业

无机材料的热学性能无机材料热学性能包括: 热容 热膨胀 热传导 热稳定性 熔融和分解

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物理本质

晶格的热震动：质点围绕平衡位置作微 小震动 这些是固体物理学在无机材料热性能方 面的具体表现

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无机材料的热容(Heat capacity)定义：C=Q/ T 物体温度升高1K需要的能量，

Q Ct (J / K ) T T

比热容：J/(K g) 摩尔热容：J/(K mol) 平均热容：Q/(T2-T1)无机材料物理性能 4

恒压热容Cp Q H cp T p T p

恒容热容Cv Q E Cv T v T v

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Cp和Cv的关系根据热力学第二定律得到：

2V0T C p Cv :体膨胀系数， :压缩系数，V0:摩尔容 积

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晶态固体热容的经验定律

元素的热容定律-杜隆-珀替定律：元素的 恒压的原子热容是25J/(K mol) 化合物的热容定律--柯普定律：化合物分 子热容是元素原子热容的总和 他们的基础：质点热震动在没有相互干 挠时可以相互叠加，容量性能

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晶态固体热容的量子理论是固体物理学的内容，在教材中有 在比较低的温度，Cv=AT3 Above Debye temperature, Cv=3R

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无机材料的热容

材料的热容和温度关系由实验决定，一 般采用如下经验公式(这在今后的工作及 研究中十分常见，如热力学计算):

C p a bT cT ...无机材料物理性能 9

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无机材料的热膨胀(Thermal expansion)

热膨胀系数 当温度升高，材料的体积或者长度增大

l:线膨胀系数，无机材料 l的数量级在10-5--10-6/K

l l t l0

lt l0 l l0 (1 l t )

Vt Vc (1 v t )无机材料物理性能 10

实质：原子的热振动 无机材料的热导率小于金属材料和高分 子材料

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体膨胀系数和线膨胀系数可以根据基础的物理 和数学知识推导。如立方体是： v 3 l 当材料在使用中有明显温度变化，热膨胀系数 是材料非常重要的性能，热应力是由于热膨胀 系数不同

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电子材料的封装在热膨胀系数的选择是 非常重要的 晶体材料注意不同方向的热膨胀系数的 差别

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热膨胀和其他性能的关系

和结合能及熔点关系 结合能高，熔点高，材料中质点的热振动受温 度的影响小，材料的热膨胀系数也小 和温度关系 是温度的函数。一般地

,温度升高，热膨胀系 数升高 和结构关系 结构致密，热膨胀系数大，而玻璃的小，因为 结构内的“空隙”问题无机材料物理性能 14

多晶体和复合材料的热膨胀

无机材料是晶体和非晶态材料的复合体， 其热膨胀实际是它们的热膨胀性能之复 合 晶态材料的热膨胀有方向性(各向异性)将 影响计算的方法或者方式 各向同性的计算按复合材料的方式计算

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不同材料的匹配问题

电子材料的封接一定考虑热膨胀系数的匹配 材料设计时需要考虑利用材料的热膨胀的利弊. 陶瓷材料的增韧问题,可以利用材料的热膨胀产 生预应力

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陶瓷制品表面的釉的热膨胀系数小于陶 瓷胚体的热膨胀系数 合适的热膨胀系数是材料制备和性能中 重要的因素

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例题

一根1m长的Al2O3 炉管从室温 (25oC)加热 到1000oC时，假使在此过程中，材料的热 膨胀系数为8.8 10-6 mm/(mm oC) ,计算 管的膨胀量是多少？

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解答

根据上面的公式，有：

l l0 T (8.8 10 m m/(m m C )) (1m) (1000 25) C 8.58m mo o 6

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