《材料物理性能》PPT課件.ppt

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材料的物理性能 第1章前 言,材料科學(xué)與工程是關(guān)于 材料的成分與結(jié)構(gòu)（composition and structure）、 合成與加工（synthesis and processing）、 性質(zhì)（proporties） 與服役性能（performance）這四個(gè)要素、 以及它們兩兩之間的互相聯(lián)系的學(xué)科。,本課程中，材料的性能是指“材料性質(zhì)”。它是材料科學(xué)與工程學(xué)科的四個(gè)基本要素之一。 所謂的材料性能，是指在給定的外界環(huán)境中，材料受到某種作用時(shí)，其狀態(tài)所發(fā)生的變化。作用于材料上的作用因素通?？梢苑譃閼?yīng)力、溫度、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、化學(xué)介質(zhì)、輻照等。 受到這些因素作用時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一系列的變化，伴隨之產(chǎn)生一些外在表現(xiàn)，也就是所謂的狀態(tài)的變化。,材料的物理性能，是指材料受到外部作用時(shí)，電、磁、光、熱、聲學(xué)方面的物理狀態(tài)量、以及一些特殊變化量所發(fā)生的變化。 作用因素通常也以這些相應(yīng)的物理量為主。 材料的物理性能可以大致劃分分電學(xué)性能、磁學(xué)性能、介電性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能、聲學(xué)性能。 此外，在一些書(shū)籍中，材料的物理性能還涉及到材料的形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect)、儲(chǔ)氫特性、生理功能性(Bio-functionality)與生物相容性(compatibility)等。 ----------------------功能材料的基礎(chǔ),本課程介紹以下內(nèi)容,1。材料的熱學(xué)性能 龍毅 4學(xué)時(shí) 2。材料的磁學(xué)性能 龍毅 10學(xué)時(shí) 3。材料的電學(xué)性能 強(qiáng)文江 12學(xué)時(shí) 4。材料的介電 龍毅 4學(xué)時(shí) 5. 光學(xué)性能 常永勤 4學(xué)時(shí) 本課特點(diǎn)：各性能之間相關(guān)性不太明顯。 基本水平：各性能都熟悉 高水平：體會(huì)各性能之間聯(lián)系。,本課實(shí)行點(diǎn)名 7次不到取消考試資格 第1-2次不到考試成績(jī)扣1分/每次 第2-4次不到考試成績(jī)扣1.5分/每次 第5-6次不到考試成績(jī)扣2分/每次 本課無(wú)實(shí)驗(yàn)。,第二章材料的熱學(xué)性質(zhì),主講：龍毅 解答問(wèn)題郵箱地址shallytiger2000@,2.1概論,材料主要的熱性能參數(shù)有哪些？ （1）熱容：材料升高一度所需要的熱量。 （2）熱膨脹系數(shù)?：當(dāng)溫度變化1度（單位：K）時(shí)，物質(zhì)尺寸（或體積）的變化率。其單位是1/K。,（3）熱傳導(dǎo) 對(duì)于兩端溫度分別是T1,T2的均勻棒，當(dāng)各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)沿x軸正方向傳過(guò)單位截面上的熱量△Q和溫度沿x軸變化率的比值為熱導(dǎo)率λ ：,,單位是W/(m.K) ， λ 越大，導(dǎo)熱能力越好。,,熱學(xué)性能的應(yīng)用背景？,Learning Objectives After careful study of this chapter you should be able to do the following: 1. Define heat capacity and specific heat. 2. Note the primary mechanism by which thermal energy is assimilated in solid materials. 3. Determine the linear coefficient of thermal expansion given the length alteration that accompanies a specified temperature change. 4. Briefly explain the phenomenon of thermal expansion from an atomic perspective using a potential energy-versus-interatomic separation plot. 5. Define thermal conductivity. 6. Note the two principal mechanisms of heat conduction in solids, and compare the relative magnitudes of these contributions for each of metals, ceramics, and polymeric materials.,查,材料的熱學(xué)性能的微觀機(jī)制是什么？ 原子振動(dòng)，電子運(yùn)動(dòng),參考”金屬材料結(jié)構(gòu)和性能”,毛衛(wèi)民，2007 固體物理，茍清泉，90年前,晶體內(nèi)的原子并不是在各自的平衡位置上固定不動(dòng)的： 由于熱運(yùn)動(dòng)，各原子離開(kāi)了它們的平衡位置; 由于原子間的相互作用，有回到平衡位置的趨勢(shì)。這兩個(gè)矛盾相互作用的結(jié)果，使每個(gè)原子在平衡附近作微振動(dòng)。,材料中原子如何振動(dòng)？,,。,,,2.2。原子簡(jiǎn)諧振動(dòng),1。設(shè)原胞中只含有一個(gè)原子，做一維振動(dòng),a是平衡時(shí)原子間距（晶格常數(shù)）,原子的熱振動(dòng)是否有規(guī)律？,兩原子間的互作用勢(shì)能因原子微振動(dòng)而由平衡時(shí)的U（a）變?yōu)閁（a+δ）。 因?yàn)槭俏⒄駝?dòng)，δ很小，所以將U（r）在平衡點(diǎn)a附近，按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得：,,,δ很小，勢(shì)能可近似為關(guān)于δ的拋物線： 兩原子間相互作用力F為： 原子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，可以用量子力學(xué)中簡(jiǎn)諧子的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)描述其振動(dòng)特性 （參考大物的量子物理）,,,,,簡(jiǎn)諧振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)基本特征：力與平衡位置的位移大小成正比、方向相反。,,,,對(duì)第n個(gè)原子，考慮n-1,n+1原子對(duì)它的作用， 它的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程可寫(xiě)成：,F＝ma,,,一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)影響到其他質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),,提出方程（1）； 其解有（2）的形式，其頻率ω與波矢q之間滿足關(guān)系式 (3)； 給定一個(gè)q，總有一個(gè)ω與之對(duì)應(yīng)，給定一組(q,ω)，式（2）就表示原子的一種振動(dòng)形式，稱之為格波； q取值范圍由q的單值性要求 和周期性要求： 決定,（1）,（2）,（3）,據(jù)此，我們又可以把第 n一1個(gè) 、第 n+1個(gè)原子的振動(dòng)表表示如下： 上式中A為常數(shù)，表明各原子以相同的頻率ω振動(dòng)，且振幅相等，各式指數(shù)上的括號(hào)表示原子振動(dòng)的相位。顯然，各相鄰原子間振動(dòng)相位不同。從空間變化來(lái)看，晶格中各個(gè)原子間的振動(dòng)相互間都存在著固定的位相關(guān)系，也即在晶格中存在著角頻率為的平面波，這種波稱為格波。,,根據(jù)上述推導(dǎo)，在t時(shí)刻，第n個(gè)原子位移圖像是什么？ 對(duì)于一維單原子晶格，第n個(gè)原子的第l個(gè)振動(dòng)模式引起的總位移是： 第n個(gè)原子由于kT熱擾動(dòng)產(chǎn)生的在平衡位置附近作無(wú)規(guī)律振動(dòng)可以用一系列的格波來(lái)描述！ 對(duì)于自由度為3nN的晶格振動(dòng)，格波的總模式數(shù)為3nN,,,格波的頻率和波數(shù)的關(guān)系： 聲學(xué)波和光學(xué)波,,,光學(xué)波頻率處于光譜的紅外區(qū)，所以稱該支波為光學(xué)波,聲學(xué)波,離子位移極化,格波的能量和聲子 在現(xiàn)代物理中，需要用勢(shì)能求解薛定諤方程確定一維晶格簡(jiǎn)諧振動(dòng)的能量： 一維晶格簡(jiǎn)諧振動(dòng)的能量是量子化的，即頻率為?的晶格振動(dòng)能量為：,,,能量的量子“ ”稱為聲子 。,,用波耳茲曼統(tǒng)計(jì)理論，在溫度為T(mén)的熱平衡中，頻率為ω的振動(dòng)的平均能量為： 為了找出與所有晶格振動(dòng)聯(lián)系的晶體內(nèi)能，還需要考慮在各種頻率有多少模式，即在波矢空間里頻率為ω至ω+dω包含的模式數(shù)，設(shè)ρ(ω)是單位頻率內(nèi)的模式數(shù)，那么， ρ(ω)dω是dω范圍內(nèi)的模式數(shù)。一摩爾固體晶格振動(dòng)的內(nèi)能是：,,,,以上的晶格振動(dòng)如何和材料的熱學(xué)性能聯(lián)系的？ 2.5。材料的熱容,1。熱容定義,實(shí)際規(guī)律:,2。晶格振動(dòng)熱容,晶格振動(dòng)的總平均能量:,只要求出角頻率的分布函數(shù)?（?），就可以從理論上求出熱容 。,德拜模型,德拜近似 只考慮頻率較低的聲學(xué)波對(duì)比熱的貢獻(xiàn)； 德拜近似假設(shè)：將晶格看作是各向同性的連續(xù)介質(zhì)，把格波看作是彈性波，并且還假定縱的和橫的彈性波的波速相等。 這樣就可以定量算出頻率角頻率在?和?＋d?之間的格波數(shù)ρ(ω),,,（a)德拜近似的分布函數(shù) （b)實(shí)際晶體中分布函數(shù),定義德拜溫度 ，和在熱容計(jì)算中取的最大頻率?m關(guān)系為：,德拜熱容特點(diǎn)： 當(dāng)x1時(shí)，熱容趨于經(jīng)典極限3R 在極低溫度下，熱容和溫度T3成比例,,德拜模型得到的計(jì)算熱容的公式,,Debye constant-volume molar heat capacity curve. The dependence of the molar heat capacity Cm on temperature with respect to the Debye temperature: Cm vs. T/TD. 例： Si, TD = 625 K so that at room temperature (300 K), T/TD = 0.48 and Cm is only 0.81*3R.,德拜理論不能解釋金屬熱容實(shí)驗(yàn)值的地方： 很低的溫度T＜5K，實(shí)驗(yàn)表明Cv正比于T， 高溫區(qū)，Cv雖然很接近25J/mo1.K，但并不是以3R為漸近線，而是超過(guò)3R繼續(xù)有所上升。,Why?,Cve=N,自由電子對(duì)熱容的貢獻(xiàn),31,increasing cp,? Why is cp significantly larger for polymers?,Specific Heat: Comparison,Cp (heat capacity): (J/mol-K),特氟隆,聚苯乙烯,聚合物,作業(yè)（下周交）,1。1。利用如下圖，估算300K和-30℃下Al、Cu的單位質(zhì)量的熱容。已知Al、Cu 的德拜溫度分別是：398K, 315K。 ２．計(jì)算具有兩種類(lèi)型原子的GaAs在300K和-40℃的單位質(zhì)量的熱容，已知GaAs的德拜溫度是：344K。 ３。 計(jì)算70Cu–30Zn 合金的摩爾熱容，已知其比熱為： 375 J/kg K．,,2.4聲子的碰撞,簡(jiǎn)諧振動(dòng)中不考慮聲子之間的相互作用，碰撞。 計(jì)入內(nèi)能的非簡(jiǎn)諧項(xiàng)，就引入了聲子的碰撞。該碰撞存在于晶格振動(dòng)中。,,兩個(gè)聲子通過(guò)非簡(jiǎn)諧項(xiàng)作用，而產(chǎn)生第三個(gè)聲子，這可以看成是兩個(gè)聲子相互碰撞，最后變成第三個(gè)聲子。 聲子間的相互作用，必須遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。,,,,或者,簡(jiǎn)諧振動(dòng)近似：格波之間相互獨(dú)立，聲子間無(wú)相互作用 非簡(jiǎn)諧振動(dòng)：格波之間相互不獨(dú)立，聲子間有相互作用,,思考題 1.結(jié)合本學(xué)期上的統(tǒng)計(jì)物理，從統(tǒng)計(jì)物理的角度總結(jié)電子，聲子和光子的特性 2.為什么說(shuō)聲子是準(zhǔn)粒子？ 3。結(jié)合本學(xué)期上的統(tǒng)計(jì)物理，理解： 用波耳茲曼統(tǒng)計(jì)理論，在溫度為T(mén)的熱平衡中，頻率為ω的諧振子的平均能量為： P.43: 1. 2.,電子：遵從泡利不相容原理，每個(gè)量子態(tài)上至多只能有一個(gè)粒子。 它們服從費(fèi)米－狄拉克分布 ： 費(fèi)米－狄拉克分布的意義：能量為E的某一特定能級(jí)被占據(jù)的概率，在單位體積內(nèi)在E到E＋dE能級(jí)中的實(shí)際費(fèi)米子數(shù)dN為： dN=g(E)f(E)dE ，這里g（E）是態(tài)密度。 金屬中總電子數(shù)為 每個(gè)電子平均能量為 ：,,,,聲子：服從玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)分布，在溫度為T(mén)的熱平衡中，一個(gè)聲子模式的占據(jù)數(shù)是： 晶格振動(dòng)的總平均能量:,,,AMK顯卡顯存 散熱片分為兩種型號(hào)，它們分別是CO－W45－10W／4型和CO－W48－20W／4型。散熱片的尺寸大概都是20mm20mm，其高度分別為10mm和20mm。散熱片由切得很精細(xì)的鋁片構(gòu)成，每邊都是由九個(gè)鉛片做成的兩個(gè)滾條組成。,尺寸為14mmx14mmx14.5mm的MC14（單顆重量8.5g），憑借著銅材質(zhì)的高導(dǎo)熱、以及鑄造工藝所造就密集銅柱將顯存散熱片的散熱效能提升到一個(gè)新的高度，在官方的演示中，在同樣5W熱源上和25度室溫環(huán)境中，MC14憑借新工藝帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)比SKIVING制顯存散熱片可以多降溫6.5度。售價(jià)已經(jīng)達(dá)到19.95美圓（8顆一組）,擁有顯存散熱片后，你就可以進(jìn)行一些冒險(xiǎn)的超頻。Elsa Gladiac上的DDR 顯存其頻率為333MHz。將顯存速度提高到顯卡電壓所允許的最大值400MHz。結(jié)果與超頻到390MHz時(shí)一樣能夠運(yùn)行。,紅外探測(cè)即探測(cè)目標(biāo)自身的紅外發(fā)射特征，降低目標(biāo)的溫度和發(fā)射率是達(dá)到紅外隱形的關(guān)鍵所在。通常降低溫度的隱形措施較多，如飛機(jī)采用高函道比的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，坦克采用絕熱式發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用特殊燃料以降低紅外輻射或改變紅外輻射波長(zhǎng)，采用吸熱、隔熱材料和涂料，采用閉合環(huán)路冷卻的控制系統(tǒng)等。,用金屬石棉夾層材料對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行隔熱，防止發(fā)動(dòng)機(jī)熱量傳給機(jī)身。如美國(guó)B－2隱身轟炸機(jī)采用50％～60％的降溫隔熱復(fù)合材料；F－117則采用了超過(guò)30％的新型降溫隔熱復(fù)合材料。,莫來(lái)石輕質(zhì)斷熱磚,,鋁箔復(fù)合酚醛泡沫板 鋁箔 采用80μm厚度雙面鍍鏌覆層啞光防腐鋁箔，可有效防腐、抗菌,有極好的憎水性，賦于板材更長(zhǎng)的使用壽命。 結(jié)皮層 為很薄的一層微發(fā)泡酚醛樹(shù)脂，具有極佳的強(qiáng)度,厚度達(dá)0.2mm,密度100kg/m3賦于板材更好的強(qiáng)度和彈性。 泡體 采用美國(guó)進(jìn)口的乳化劑,泡體細(xì)膩,穩(wěn)定,閉孔率高,導(dǎo)數(shù)系數(shù)低,賦于板材極好的保溫,防燃性能,