第八章_材料的热学性能.ppt

第八章_材料的热学性能; 热学性能：包括热容（thermal content），热膨胀（thermal expansion），热传导（heat conductivity），热稳定性（thermal stability）等。本章目的就是探讨热性能与材料宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打下理论基础。;第一节 热学性能的物理基础 ;第一节 热学性能的物理基础;第一节 热学性能的物理基础 ;第二节 热容;第二节 热容;第二节 热容; 恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功(膨胀功)，每提高1K温度需要吸收更多的热量;对于固体材料CP与CV差异很小，见图3.2。 ;第二节 热容;恒压下元素的原子热容为 表3.1 部分轻元素的原子热容:;根据经典理论，1mol 固体中有 个原子，总能量为 = 6.023×1023 / mol ＝阿佛加德罗常数， = R/N = 1.381×10-23 J/K ＝ 玻尔茨曼常数， = 8.314 J/ (k·mol)，T＝热力学温度（K）。; 由上式可知，热容是与温度T无关的常数（constant），这就是杜隆一珀替定律。 对于双原子的固体化合物，1mol中的原子数为2N，故摩尔热容为 ;第二节 热容;第二节 热容;第二节 热容;第二节 热容;第二节 热容;第二十页，共六十页，2022年，8月28日;第二节 热容;第二节 热容;第二节 热容;五、热分析方法的应用 1、热分析方法 是根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积等物理参数与材料结构之间的关系，对材料进行分析研究。; 热重分析(TG)是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。热重法试验得到的曲线称为TG(热重)曲线。TG曲线以温度作横坐标，以试样的失重作纵坐标，显示试样的质量随温度的升高而发生的变化。下图是CaC2O4?H2O的TG曲线，由图可以发现CaC2O4?H2O的热分解过程：;DTA是在程序控制温度下，测量处于同一条件下样品与参比样品的温度差与温度之间的关系的一种技术。参比样品(标准样品)，往往是稳定的物质，其导热、比热容等物理性质与试样接近，但在试验的温度范围内不发生组织结构变化。试样和参比样品在相同的条件下加热和冷却，两个样品之间就存在一个温差(特别是发生组织结构转变时)，DTA就是测量这种温差随温度的变化。DTA技术的特点：快速、样品用量少、适用范围广。但要进行精确的定量分析相当困难。所用的实验仪器，升温速率，气氛，样品用量，粒度等都会对实验结果有所影响。 DSC是通过调整试样的加热功率P，使两者之间的温差为零。通过补偿的功率可以直接计算热流率，即：; 差热分析(DTA)是在试样与参比物处于控制速率下进行加热或冷却的环境中，在相同的温度条件时，记录两者之间的温度差随时间或温度的变化，差示扫描量热分析(DSC)记录的则是在二者之间建立零温度差所需的能量随时间或温度的变化。; DSC(或DTA)反映的是所测试样在不同的温度范围内发生的一系列伴随着热现象的物理或化学变化，换言之，凡是有热量变化的物理和化学现象(见下表)都可以借助于DTA或DSC的方法来进行精确的分析，并能定量地加以描述。 ;2．热分析的应用 通过物质在加热或冷却过程中出现各种的热效应，如脱水、固态相变、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等过程中产生放热或吸热效应来进行物质鉴定． 在陶瓷生产中可帮助确定各种原料配入量和制订烧成制度． 在金属材料研究中，热分析方法也有广泛的用途．;一 热膨胀的概念及热膨胀系数 热膨胀的概念物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀。 式中，αl＝线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的相对伸长。 物体在温度 T 时的长度lT为： ; 3 真线性膨胀系数 固体材料真线性膨胀系数，通常随温度升高而加大 无机非金属材料的线膨胀系数一般较小 ;二 热膨胀机理 质点在平衡位置两侧时受力的情况并不对称，在质点平衡位置ro的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当r ＜ ro 时，曲线斜率较大，r＞ro时，斜率较小，质点振动时的平均位置就不在ro处而要向右移动．因此相邻质点间平均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在ro两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动得越多，相邻质点间平均距离也就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。;第三十三页，共六十页，2022年，8月28日;三 热膨胀与其他性能的关系 1 热膨胀和热容的关系 固体材料受热引起的容积的膨胀是晶格振动