文档介绍：第二章材料的热学性能
一、热容概念:热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量,其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。不同温度下。
二、晶态固体热容的经验定律和经典理论:
一是元素的热容定律—杜隆-博珀替定律:恒压下元素的原子热容为25J/();另一个是化合物的热容定律—奈曼-柯普定律:化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。
三、不同材料的热容:
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由点阵振动和自由电子运动两部分组成,即
CV=CV1+CVe=αT3+γT
式中CV1和CVe分别代表点阵振动和自由电子运动的热容;α和γ分别为点阵振动和自
由电子运动的热容系数。
合金的摩尔热容等于组成的各元麦原子热容与其质量百分比的乘积之和,符合奈曼-柯普定律:
c=∑nici
式中,ni和ci分别为合金相中元素i的原子数、摩尔热容。
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对于绝大多数氧化物、碳化物,热容都是从低温时的一个低的数值增加到1273K左右的近似于25J/(K·mol)的数值。温度进一步增加,热容基本无变化。对材料的结构不敏感,但单位体积的热容却与气孔率有关。
相变可分为一级相变和二级相变。一级相变:体积发生突变,有相变潜热,例如,铁的a-r转变、珠光体相变、马氏体转变等;二级相变:无体积发生突变、无相变潜热,它在一定温度范围逐步完成。例如,铁磁顺磁转变、有序-无序转变等,它们的焓无突变,仅在靠近转变点的狭窄温度区间内有明显增大,导致热容的急剧增大,达转变点时,焓达最大值。
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大多数高聚物的比热容在玻璃化温度以下比较小,温度升高至玻璃化转变点时,分子运动单元发生变化,热运动加剧,热容出现阶梯式变化。一般,高聚物的比热容比金属和无机材料大,高分子材料的比热容由化学结构决定,温度升高,链段振动加剧,而高聚物是长链,使之改变运动状态较困难,因而,需提供更多的能量。
四、传导机制
金属中热传导是以自由电子导热为主,合金热传导以自由电子导热和声子导热为主,绝缘体热传导以声子导热为主,也即绝缘体热传导约为金属热传导的三十分之一,高分子材料的热传导以链段运动传热为主,而高分子链段运动比较困难,所以,其导热能力较差;当温度较高时,就需考虑光子的导热。
五、晶体中存在的各种缺陷和杂质会导致声子的散射,降低声子的平均自由程,使热导率变小。固溶体的形成同样也降低热导率,而且溶质元素的质量和大小与溶剂元素相差愈大,取代后结合力改变愈大,则对热导率的影响愈大。
六、热膨胀本质:原子间相互作用,位能曲伸不对称。温度升高,振动加剧,振动中心发生变化(右移),原子间距增大,材料产生热膨胀。
七、线膨胀系数与熔点的关系有一个经验表达式:
αlTm=
因此,固态晶体的熔点愈高,其膨胀系数就愈低。这也间接反映了晶体原子间结合力大小的信息。
八、高分子材料的热稳定性
高分子材料在受热过程中将发生两类变化:一是物理变化、包括软化、熔融等;二是化
学变化,包括交联、降解、环化、氧化、水解等。它们是高聚物受热后性能发生恶化的主要
原因。
提高高分子的耐热性:增加高分子链的刚性,提高聚物结晶能力以及进行交联。
提高聚合物热稳定性的措施:①在高分子链中避免弱键。②在高分子主链中尽量避免一长串连接的亚***-CH-,并尽量引人较大比例的环状结构。③合成“梯形”、“螺形”或“片状”高分子。
九、提高抗热冲击断裂性能的措施(主要针对陶瓷,玻璃等):①提高材料强度σ,减小弹性模量 E,使σ/E提高。②提高材料的热导率λ,使R'提高。③减小材料的热膨胀系数α。α小的材料,在同样的温差下,产生的热应力小。④减小表面热传递系数h。⑤减小产品的有效厚度rm。
十、热阻:反映阻止热量传递的能力的综合参量。
十一、热差分析:是在程序控制温度下,将被侧材料与参比物在相同条件下加热或冷却,测量试样与参比物之间温差(ΔT)随温度(T)时间(t)的变化关系。
参比物要求:应为热惰性物质,即在整个测试的温度范围内它本身不发生分解、相变、破坏,也不与被测物质产生化学反应同时参比物的比热容,热传导系数等应尽量与试样接近。
十二、提高热稳定性的措施
第三章材料的光学性能
一、光在介质中的传播速度比真空慢的原因
当光的电磁场作用到介质上时,介质的原子受到外加电场的作用而极化,正电荷沿着电场方向移动,负电荷沿着反电场方向移动,这样正负电荷的中心发生相对位移。外电场越强,原子正负电荷中心距离越大。由于这种光波电磁场和介质原子的电子体系的相互作用而产生的极化,“拖住”了电磁波的步伐,使光波的传播速度减少。
二、双折射现象、常光折射和非常光折射的概念
当光通过除立方晶体以外的其他品型介质时,一