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热容(heat capacity) 热膨胀(thermal expansion) 热传导(thermal conduction) Chapter3 Properties of Materials1 3.3 热性能 Thermal Property Chapter3 Properties of Materials2 定压热容Cp : 等压条件下测定的热容 定容热容CV: 等容条件下测定的热容 3.3.1 热容(heat capacity) 1mol物质升高1K所需要的热量 晶态固体材料的热容,两个经验定律: a) 杜隆-珀替(Dulong-Peoit)定律 - 元素的热容定律: 晶体材料较高温度下: Cp=3R=25 Jmol-1K-1。 极低温度下: CpT3 事实上,除了一些轻元素的热容比上述值要小些外,大部 分元素的原子热容都接近该值,尤其是在高温的情况下更 是如此。 b) 柯普(Kopp)定律 - 化合物的热容定律: 化合物的摩尔热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 即: 固态化合物的摩尔热容 =25n JK-1mol-1 (n为1摩尔固态化合物中元素原子的摩尔数)。 Chapter3 Properties of Materials3 Chapter3 Properties of Materials4 膨胀系数:温度变化1K时材料尺度的变化量。 线膨胀系数l和体积膨胀系数V 3.3.2 热膨胀 thermal expansion 热膨胀系数是固体材料的一个重要的性能参数。在多晶 、多相固体材料以及复合材料中,由于各相及各个方向 的L值不同所引起的热应力问题已成为选材、用材的突 出矛盾。材料的热膨胀系数大小直接与热稳定性有关。 Chapter3 Properties of Materials5 Curve 势能一原子间距离曲线 假想的实际的 热膨胀现象解释 Chapter3 Properties of Materials6 Curve 金属和无机非金属材 料的线膨胀系数较小 ; 聚合物材料则较大。 (范德华力) 键强与热膨胀 膨胀的差异 原子间的键合力越强,则热膨胀系数越小。 膨胀的差异: 结构紧密的固体,热膨胀系数越大。 固体结构疏松,内部空隙较多,当温度升高 ,原子间距离增加时,部分被结构内部空隙所容 纳,宏观膨胀就小。 紧密堆积的氧化物,热膨胀系数大,例如 MgO、BeO、 Al2O3 等 Chapter3 Properties of Materials7 Chapter3 Properties of Materials8 Examples 热量通量q : 热导率:表征物质热传导性能的物理量:单 位时间通过横截面的热量。 单单位:Wm-1K-1,或 calcm-1s-1K-1 1 calcm-1s-1K-1=4.2102 Wm-1K-1 金属较大,在2.3417.6 Wm-1K-1( 0.22 Wm-1K-1的材料,称隔热材料) 3.3.3 热传导(thermal conduction) 热量从系统的一部分传到另一部分或由一 个系统传到另一个系统的现象 各种材料的导热率 金属材料有很高的热导率 自由电子在热传导中担当主要角色; 金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响; 晶格振动 无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。 热传导依赖于晶格振动(声子)的转播。 高温处的晶格振动较剧烈,再加上电子运动的贡献增加,其热导率 随温度升高而增大。 半导体材料的热传导: 电子与声子的共同贡献 低温时,声子是热能传导的主要载体。 较高温度下电子能激发进入导带,所以导热性显著增大。 高分子材料热导率很低 热传导是靠分子链节及链段运动的传递,其对能量传递的效果较差 。 Chapter3 Properties of Materials10 Examples 与热性能有关的应用实例 耐高温陶瓷材料:可用于航天器的喷嘴,喷气发动机 的机页,燃烧室内衬等。要求:耐高温又不氧化,具 有良好的耐腐蚀性和耐磨性 热传导材料: 1)利用低热传导性制造保温材料,服装等,eg: 石棉做热设备的保温隔热材料 2)利用高热传导性制造散热材料,eg: 集成电路的 散热材料,要求具有高导热性和电绝缘性,目前用的 材料主要是氮化物:六方氮化硼(HBN)和氮化铝( AlN)。 Si3N4是新的研究热点。 Chapter3 Properties of Materials12 导电性 介电性 铁电性 压电性 材料被施加电场时所产生的响应行为 3.4 电性能 Electrical Property Chapter3 Properties of Materials13 2.1.3.5 Electrical property 3.4.1 导电性能 Electrical Conductivity 金属:导体、半导体(半导体金属砷、碲等 ) 陶瓷:绝缘体、半导体 高分子材料:绝缘体、半导体、导体 其它:硅、锗(半导体),石墨(导体) Chapter3 Properties of Materials14 2.1.3.5 Electrical property 电阻: 电阻率: 电导率: = 1/ = nZe 要增加材料的导电性,关键是增大单位体积内载流子的数目 (n)和使载流子更易于流动(增大 值)。 Chapter3 Properties of Materials15 2.1.3.5 Electrical property 能带理论(Band Theory) 能带的形成 Chapter3 Properties of Materials16 2.1.3.5 Electrical property 各种材料的能带结构 半导体: Chapter3 Properties of Materials17 禁带(forbidden band )不太宽,热能足以使满 带中的电子被激发越过禁带而进入导带,从而 在满带中留下空穴,在导带中增加自由电子, 它们都能导电。 增加导电性的方法: 1. 升高温度 2. 掺杂:掺五价的P、As、Sb,n-型半导体; 掺三价的B、Al、Ga、In 等,p-型半导体 2.1.3.5 Electrical property 3.4.2 介电性能 Dielectric Property 介电质: 凡是在电场作用下,不传导电流,能产生极化 的一切物质又被称之为电介质。 介电质两种功能: 一作为绝缘体,二作为电容; 在电子工业中用来做集成电路的基板、电容器等。 对静电能的储备和损耗是由于在外电场作用下产生极化 。 极化: 将原子或分子置于电场下,就会发生电子云中心 的偏移,即电荷的重新排布 介电性: 在电场作用下,材料表现出来的对静电能的储备和损耗的性质 Chapter3 Properties of Materials19 材料极化 Chapter3 Properties of Materials20 2.1.3.5 Electrical property 电容C(capacitance)电荷量q与电压V的比值: 平板电容计算: C = (A/L) :介电常数,表示在单 位电场中,单位体积内积 蓄的静电能量的大小。表 征材料极化和储存电荷的 能力;是个宏观物理量。 C=q/V 材料的介电常数通 常以相对介电常数r 表示: r=/0 介电强度 一定间隔的平板电容器的极板间可 以维持的最大电场强度,也成击穿电压。 介质损耗 置于交流电场中的介质,以内部发 热(温度升高)形式表现出来的能量损耗。用介 电损耗角正切tg表示。 Chapter3 Properties of Materials21 高分子材料的由主链结构中的键的性能和排列所决定 。 -分子结构极性越强, 和tg越大. -非极性材料的极化程度小,和tg都较小. -极性取代基团影响更大,其数目越多, 和tg越大 Chapter3 Properties of Materials22 (2) Dielectric Property 某些介电材料的性能 介电性的应用 tg 大,损耗大,材料发热。 电容介质 大,tg 小 作绝缘材料或电容器材料的高聚物,介电损耗越小越好 航空航天材料 小,tg 大,静电小 高频焊接:薄膜封口,tg 大 需要通过高频加热进行干燥,模塑或对塑料进行高频焊 接时,要求高聚物的介电损耗越大越好. 高频电缆用PE(非极性)而不用PVC (极性) Chapter3 Properties of Materials23 Chapter3 Properties of Materials24 (3) Ferroelectricity 3.4.3 铁电性与压电性 Ferroelectricity and Piezoelectricity 铁电滞后现象 铁电性材料在除去外电场后仍保持部分极化状态 Chapter3 Properties of Materials25 居里温度Tc : 高于居里温度,铁电性消失 (Curie temperature) 铁电性的改变通常是由于在 居里温度下晶体发生相变。 Chapter3 Properties of Materials26 (4) Piezoelectricity 压电性 Piezoelectricity 外力 极化 电压压电效应 Chapter3 Properties of Materials27 (4) Piezoelectricity 常用的压电陶瓷:BaTiO3 、PbTiO3、PbZrO3 、 NH4H2PO4 (a)施加一定电压 (b)施加压力,产生反向电压,导致两端电压下降 (c)施加较大电压,材料产生变形 (逆压电效应) Chapter3 Properties of Materials28 使物质具有磁性的过程称为磁化。 能够被磁化的或能被磁性物质吸引的物质叫做磁性物质或磁介 质。 Hm:磁化强度 magnetization m:磁化率 magnetic susceptibility 衡量材料磁性的无量纲值纲值 3.5 磁性 Magnetic Property Chapter3 Properties of Materials29 反磁性(diamagnetism): 感应磁化方向与外磁场方向相反 m 0 l0-3-10-6 数量级 - 过渡金属mT-1(居里定理) 一些非过渡金属(例如Al)。 m与T无关 磁场撤去后 磁效应消失 3.5.2 磁性的种类 Chapter3 Properties of Materials30 铁磁性(ferromagnetism) - 在较弱的磁场作用下,就能产生很大的磁化强度。 m是很大的正数,且与外磁场呈非线性关系变化。 - 具体金属有铁、钴、镍等。 两个特征: 在不太强的磁场中,就可以磁化到饱和状态 。 铁磁居里温度:高于该温度后变成顺磁体。 ferromagnetic Curie temperature 反铁磁性(antiferromagnetism) 在外电场作用下,相邻磁矩反向排列。 Mn、Cr 反铁磁性(MnO ) Chapter3 Properties of Materials31 铁氧体磁性(ferrimagnetism),也称亚铁磁性 不同的磁矩反平行排列时,在一个方向呈现出净磁
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