文档介绍：二、材料的热膨胀
1、热膨胀系数
所有材料都有热胀冷缩性
平均线热膨胀系数:
热膨胀系数
温度 T1 时的试样长度;
温度 T2 时的试样长度
平均体热膨胀系数:
温度 T1 时的试样体积;
温度 T2 时的试样体积
热膨胀系数一般是温度的函数
线热膨胀系数和体热膨胀系数
2、热膨胀的起因
温度 T 时的线热膨胀系数:
温度 T 时的体热膨胀系数:
热膨胀系数是工程上重要的物理参数之一:
许多材料的线热膨胀系数是各相异性
各向同性材料(立方系):
材料间的封接,真空系统中要求材料的热膨胀系数相近、否则易漏气;多晶、多相的复杂结构的材料中,各相、各方向膨胀系数的不同会引起热应力
热膨胀的本质:
原子平均距离随温度的增大
起因于:
原子间作用力随距离非线性变化、原子的振动是非简谐振动
距离
力
引力
斥力
合力
平衡位置(合力为零)的两侧合力曲线的斜率不等
0
原子相互作用势能曲线
势能曲线关于处的虚线不对称
原子间作用力
作用力和势能曲线的斜率较大;
作用力和势能曲线的斜率较小;
0
3、影响热膨胀因素
0
原子振动时的平均距离:
温度越高、振幅越大,原子在平衡位置两侧受力的不对称越显著,新平衡位置右移越多、越大,晶体膨胀越大。
温度 T、平均位置
原子振动能量
原子平均间距随温度的变化:
热膨胀与结构有关:
非晶材料属液相结构,材料的热膨胀除起因于原子间距的增大外、还与材料中的自由体积(未被原子占据的空位)的膨胀有关
材料的结构和化学键
热膨胀与原子结合键有关:
结合键强、热膨胀小
离子键、共价键结合的材料:热膨胀小;
以共价键和范德瓦尔斯结合的聚合物:热膨胀系数最大
金属键:具有中等的热膨胀系数;
材料
陶瓷
金属
聚合物
三、材料的导热性
1、傅里叶导热定律
材料温度不均匀时,或两温度不同的物体相接触时,热量自动从高温区向低温区传递
热传导:
均匀金属棒的两端分别与两恒温热源接触
热平衡时各处的温度不随时间变化
稳态
热流密度:单位时间内通过与热传导方向垂直的
单位面积的热能
通过金属棒的热流密度:
负号:热能从高温向低温传递
热导率,
单位:
热导率反映材料的导热能力、不同材料的导热能力差异很大
绝缘材料:
金属:
合金:
非金属:
2、热传导机理(微观机制)
固体的组成质点只能在平衡位置附近作微小振动,不能像气体依靠分子碰撞传递热量
固体导热机制:声子(晶格振动的晶格波)和自由电子
固体热导率:
声子热导率
电子热导率
非金属和绝缘材料:
以声子导热为主
纯金属:
以电子导热为主
合金:
电子和声子共同起作用
a、金属的热导率
金属主要热载流子—自由电子(电载流子)
热导率和电导率间的联系:
不太低的温度下
(Wiedemann – Franz 首先发现)
金属热导率与电导率之比正比于温度
洛仑兹系数(Lorentz number)
理论值:
b、合金的热导率
如同合金的电导率比纯金属的电导率,
合金
金属
原因:合金中的自由电子受合金晶格、
杂质、非均匀相的散射强烈
10
20
30
40
组成,
热导率
Cu – Zn 合金热导率随Zn 含量的变化
Zn 含量增加、热导率下降
c、非金属( 陶瓷)、聚合物的热导率
传递热量的热载流子主要是声子
陶瓷的组成和结构远比金属复杂:
除晶相、还包括玻璃相及一定的空隙
声子在传播时受原子排列高度无序的不均匀相的强烈地散射
热的不良导体、热导率远小于金属
陶瓷中的空隙对热导率影响最大,空隙率高、导热率低
多孔陶瓷、多孔聚合物
绝热材料
四、材料的热应力
材料热胀或冷缩引起的内应力
热应力:
引起材料塑性变形、特性变化、甚至断裂
热应力主要来源下列三个方面:
1、热胀冷缩受到限制产生的热应力
均质、各向同性的棒,受到均匀加热或冷却、棒内不存在温度梯度