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1、1,第一章 材料的热学性能,顾修全,2,本章内容,热容 热膨胀 热传导 热稳定性,3,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质 与其他物理性能的关系 影响因素 热膨胀测量方法 热膨胀的工程应用,4,1. 热膨胀的物理本质,什么是热膨胀？ 热膨胀系数 热膨胀的物理本质,5,热膨胀系数,温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。,平均线膨胀系数,微分线膨胀系数,体膨胀系数,各向同性,各向异性,6,部分材料的线性膨胀系数,7,某些无机材料的热膨胀系数与 温度之间的关系,无机材料的线膨胀系数 一般都不大,8,物理本质（作用力曲线解释）,原子热振动是非线性 的！,温度升高，原子振动激烈。,原子向右移动的幅度更
2、大一些， 导致振动中心右移。,0 K时，原子处在平衡位置。,9,物理本质（势能曲线解释）,势能曲线是不对称 的！,0 K时，原子的势能最低。,温度升高，原子的势能增加。,势能曲线的不对称，使振动 中心右移。,10,材料热膨胀的本质: 在于晶格点阵实际上在作非简谐振动，晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的，点阵能曲线也是非对称的。,理想状态,实际状态,11,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质 与其他物理性能的关系 影响因素 热膨胀测量方法 热膨胀的工程应用,12,2. 与其他物理性能的关系,体膨胀与定容热容成正比，并且它们有相似依赖关系。,1、与热容的关系,格律乃森定律,13,Al2O3
3、的热容和膨胀系数随温度的变化,14,金属的结合能越大，熔点越高，其膨胀系数越小。,2、与结合能、熔点的关系,对所有的纯金属,（a、b是常数）,15,几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点,16,3、与结构的关系,对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。,而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。,温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系 数的改变。,17,ZrO2陶瓷的热膨胀曲线,1000时,单斜晶型,四方晶型,发生体积收缩 4 %,18,4. 与相变的关系,一级,二级,19,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质 与其他物理性能的关系 影响因素 热膨胀测量方法 热膨胀的工程应用,20,3. 影响热膨胀性能的因素,相变
4、的影响 成分和组织的影响 各向异性的影响,21,相变的影响,一级相变：体积突变，有相变潜热。 二级相变：无体积突变和相变潜热； 但膨胀系数和比热容有突变。,直接用热膨胀实验分析,用热膨胀实验可以研究二级相变,22,二级相变,同素异构体转变 有序无序转变 温度变化时发生的晶型转变,Fe：相 相,Cu-Au合金,23,化学成分的影响,固溶体的热膨胀系数略低于按直线规律计算的值。,Cu Au合金固溶体的膨胀系数,0,20,40,60,80,100,rE / %,l,Cu Au合金 膨胀系数,24,两相材料热膨胀系数计算值的比较,多相合金体的膨胀系数主要取决于组成相的性质和数量,内应力抑制了热膨胀,2
5、5,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质 与其他物理性能的关系 影响因素 热膨胀测量方法 热膨胀的工程应用,26,4. 热膨胀的测量,光学膨胀仪 电测试膨胀仪 机械式膨胀仪,光杠杆膨胀仪 光干涉法,电感式膨胀仪 电容式膨胀仪,千分表式膨胀仪 杠杆式膨胀仪,光杠杆式膨胀仪原理图,27,热膨胀测试仪（德国耐驰公司）,测试原理： 将样品放入炉体内，施一定 温度程序，此时样品长度的变化 通过推杆传递到左侧的检测单元， 并由位移传感器测量得到结果。,材料学院A306室,28,一、技术参数：1. 升降温速率：0-50 K/min2. 测量范围：5005000 m3. 样品长度：最大 50 mm 样品直径：最
6、大 12 mm4. L 分辨率：0.125 nm / 1.25 nm5. 样品支架：石英支架（ 1100），氧化铝支架（ 1700）， 石墨支架（2000）二、主要特点：1. DIL提供多种类型的样品支架与炉体配置。 2. 提供各种配件使测试更灵活方便。 3. 提供速率控制烧结软件（RCS）。 4. 提供 c-DTA 功能，可通过图谱分析计算得到差热DTA曲线。三、 应用领域： 可测量固体、熔融金属、粉末、涂料等各类样品，广泛应用于无机 陶瓷、金属材料、塑胶聚合物、建筑材料、涂层材料、耐火材料、 复合材料等领域。,德国耐驰DIL402C热膨胀仪,29,热膨胀仪典型图谱,30,第二节 材料的热膨
7、胀,热膨胀的本质 与其他物理性能的关系 影响因素 热膨胀测量方法 热膨胀的工程应用,31,5. 热膨胀的工程应用,1、热膨胀的工程意义,陶瓷工业,薄膜生长,航天器的设计,金属的表面改性,施釉,要求釉层的膨胀系数比坯体要小,为什么？,结合后面涉及到的热应力知识 进行解释。,烤瓷牙,微机械（MENS）领域,32,热膨胀在工程中的意义 热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有重要意义。 1) 是决定材料抗热震性的主要因素。 2) 陶瓷坯上釉， 二者应匹配。釉适当小于坯，烧结冷却过程中，釉层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小的太多也不行，会使釉层脱落。 3)
8、 集成电路、电子管、特种灯生产中。 4) 复合材料制备。 5) 精密仪器仪表。,33,材料的种类（依据热膨胀系数）,高热膨胀材料 零热膨胀材料 负热膨胀材料,金属材料、高分子材料，具有较高的弹性和塑性。,形状记忆合金、智能材料、微型机械等,合金材料、陶瓷材料,航空航天、精密仪表等领域,航空航天、光电子精密仪器制造等领域,陶瓷材料,34,2、热膨胀分析的应用,膨胀分析对研究钢在加热、等温、连续冷却和回火 过程中的转变非常有效。,确定钢的组织转变点,研究加热转变,35,小结,热膨胀系数 物理本质 与其他物理性能的关系 影响因素 测量方法 热膨胀的工程应用,36,思考题,1-3 试结合热膨胀机理分析，即使在相同的室温条件下，不同的固体材料也往往具有不同的热膨胀系数的原因。 1-4 试分析应如何选择陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数，可以使制品的力学强度得以提高。,