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1、会计学 1材料(cilio)科学材料(cilio)物理性能热第一页，共58 页。课堂(ktng)三定律n n 第一定律(dngl)，手机不能响n n 第二定律(dngl)，后排不能坐n n 第三定律(dngl)，作业不能抄第1 页/共57 页第二页，共58 页。参考(cnko)教材n n 材料 材料(cilio)(cilio)物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，2004 2004年。年。n n 材料 材料(cilio)(cilio)物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，2007 2007年。年
2、。n n 材料 材料(cilio)(cilio)物理性能，郑冀等编著，天津大学出版社，物理性能，郑冀等编著，天津大学出版社，2008 2008年。年。n n 材料 材料(cilio)(cilio)的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，2006 2006年。年。第2 页/共57 页第三页，共58 页。n n 材 材料 料（material material）：材 材料 料是 是人 人类 类(rnli)(rnli)用 用于 于制 制造 造物 物品 品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。器件、构件、机器或其他产品的那些物质。n n 20 20世纪 世纪70 70
3、年：信息、材料和能源 年：信息、材料和能源（文明的三大支柱）（文明的三大支柱）n n 80 80年 年代 代以 以高 高技 技术 术群 群为 为代 代表 表的 的新 新技 技术 术革 革命 命，又 又把 把新 新材 材料 料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。n n 分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料 分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料n n 结构材料与功能材料 结构材料与功能材料第1 章 绪论(xln)第3 页/共57 页第四页，共58 页。n n 材料性能是一种用于表征 材料性能是一种用于表征(bi(bi o zhn
4、 o zhn)材料在给定的外界条件下的行为的参量。材料在给定的外界条件下的行为的参量。n n 材 材料 料使 使用 用中 中表 表现 现有 有多 多少 少行 行为 为，就 就对 对应 应有 有多 多少 少性 性能 能。外 外界 界条 条件 件不 不同 同，相 相同 同的 的材 材料 料也 也会 会有 有不 不同 同的 的性 性能 能。多 多数 数的 的性 性能 能都 都有 有量 量纲 纲。为 为了 了便 便于 于学 学习 习、测 测试 试和 和研 研究 究，常 常采 采用 用不 不同的标准来划分性能 同的标准来划分性能 第1 章 绪论(xln)第4 页/共57 页第五页，共58 页。n n 物
5、理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗 物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗(niho)(niho)n n 力学性能：强度 力学性能：强度 耐压 耐压 抗折 抗折 韧性 韧性 刚性 刚性n n 化学性能：抗氧化性能 化学性能：抗氧化性能 耐腐蚀性能 耐腐蚀性能 抗酸、抗碱 抗酸、抗碱n n 工艺性能：可塑性、流动性等 工艺性能：可塑性、流动性等 n n 使用性能：耐磨性等 使用性能：耐磨性等 第1章 绪论(xln)第5 页/共57 页第六页，共58 页。第1章 绪论(xln)意义：意义：1.1.制造和发展功能材料的基础 制造和发展功能材料的基础 2.2.对要求综合性能的结构材料而言，物
6、理性能也是极为 对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极为重要的。（航天飞机，热障涂层）重要的。（航天飞机，热障涂层）3.3.利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是 利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一个重要的研究方法。一个重要的研究方法。4.4.非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分）非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分）组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织），组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织），研究与组织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的 研究与组织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导 指导 5.5.为确定 为确定(q
7、udng)(qudng)产品的可靠性分析模型提供必要的 产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能 物理性能第6 页/共57 页第七页，共58 页。用途用途(yngt)(yngt)和应用领域和应用领域n n 微处理器的盖和散热 微处理器的盖和散热片：片：第7 页/共57 页第八页，共58 页。第2章 材料(cilio)的热性能2.1 2.1 材料 材料(cilio)(cilio)的热容 的热容2.2 2.2 材料 材料(cilio)(cilio)的热膨胀 的热膨胀2.3 2.3 材料 材料(cilio)(cilio)的热传导 的热传导2.4 2.4 材料 材料(cilio)(cilio)的热电效应
8、 的热电效应第8 页/共57 页第九页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容1.1.固体热容理论简介 固体热容理论简介 热容（热容（Heat capacity Heat capacity）：一定量的物质在一定条件下温度升高）：一定量的物质在一定条件下温度升高1K 1K所需要 所需要 的热，是用以衡量 的热，是用以衡量(hng ling)(hng ling)物质所包含的热量的物理量，用符号 物质所包含的热量的物理量，用符号C C 表示，单位是 表示，单位是JK-1 JK-1。定压热容和定容热容：定压热容和定容热容：等压条件下的热容称定压热容，用符号 等压条件下的热容称定压热容，用符号Cp
9、 Cp表示；表示；等容条件下的热容称定容热容，用符号 等容条件下的热容称定容热容，用符号CV CV表示。表示。比热容：比热容：1 1千克物质的热容，用 千克物质的热容，用c c表示，单位是 表示，单位是Jkg-1K-1 Jkg-1K-1。摩尔热容：摩尔热容：1 1摩尔物质的热容，用 摩尔物质的热容，用Cm Cm表示，单位是 表示，单位是Jmol-1K-1 Jmol-1K-1。对于固体和液体来说，对于固体和液体来说，Cp Cp和 和CV CV近似相等，但是在要求较高的计算中不能 近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽略。忽略。对于理想气体来说，对于理想气体来说，Cp,m CV,m=R Cp,m
10、CV,m=R，其中，其中R R是理想气体常数 是理想气体常数 第9 页/共57 页第十页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容1.1.固体 固体(gt)(gt)热容理论简介 热容理论简介 1)1)杜隆 杜隆-珀替定律：珀替定律：气体分子的热容理论用于固体 气体分子的热容理论用于固体(gt)(gt)，用经典，用经典的统计力学处理，晶体有 的统计力学处理，晶体有N N个原子，总的平均级 个原子，总的平均级能量 能量3NkBT,N=NA,3NkBT,N=NA,摩尔热容为：摩尔热容为：热容是一个固定不变的与温度无关的物理量，热容是一个固定不变的与温度无关的物理量，只用于除 只用于除Si,C,B
11、 Si,C,B以外的一部分单原子金属。以外的一部分单原子金属。第10 页/共57 页第十一页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容 2)2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：前提：晶格中每个分子独立地振动，振动的频率为 前提：晶格中每个分子独立地振动，振动的频率为v,v,把原 把原子 子(yunz)(yunz)的振动视为谐振子，谐振子具有 的振动视为谐振子，谐振子具有0 0点能，谐振子的 点能，谐振子的能量为：能量为：En En为频率为 为频率为v v的谐振子振动能，的谐振子振动能，n n为声子量子数，取 为声子量子数，取 0 0，1 1，2 2，3 3 具有能量为 具有能量为En
12、En的谐振子数目为：的谐振子数目为：第11 页/共57 页第十二页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容 2)2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：温度为 温度为T T，振动频率为，振动频率为v v的谐振子平均能量为：的谐振子平均能量为：一摩尔晶体有 一摩尔晶体有NA NA个原子，每个原子有 个原子，每个原子有3 3个自由度，个自由度，共有 共有(n yu)3 NA(n yu)3 NA 个自由度，每个自由度相当于 个自由度，每个自由度相当于有一个谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：有一个谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：第12 页/共57 页第十三页，共58 页。2.1 材料(ci
13、lio)的热容 2)2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：由等容热容定义得：由等容热容定义得：讨论：讨论：（1 1）晶体处于较高温度时，晶体处于较高温度时，kThv,hv/kThv,hv/kTkT hvkT，则有：，则有：实验表明：在低温时，热容和 实验表明：在低温时，热容和T3 T3成正比，上式比实验值 成正比，上式比实验值更快的趋于 更快的趋于0.0.第13 页/共57 页第十四页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容 3)德拜热容模型：模型：晶体中各原子间存在弹性斥力和引力(ynl)，这种力使原子的热振动相互受牵连和制约，相邻原子间协调齐步地振动。第14 页/共57 页第十五页
14、，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容 3)德拜热容(r rn)模型：为频率(pnl)态密度第15 页/共57 页第十六页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容 3)德拜热容(r rn)模型：式中，为德拜特征(tzhng)温度，第16 页/共57 页第十七页，共58 页。n n 当 当当第17 页/共57 页第十八页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容2.2.金属 金属(jnsh)(jnsh)和合金的热容 和合金的热容 1 1）金属 金属(jnsh)(jnsh)的热容 的热容 区 区 Cm Cm T T 区 区 Cm Cm T3 T3 区 区 Cm3R Cm3R 对于
15、金属 对于金属(jnsh)(jnsh)：其载：其载流子主要是声子和电子。流子主要是声子和电子。低温时有：低温时有：第18 页/共57 页第十九页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容 2 2）德拜温度 德拜温度 是反映固体的许多特性的重要标志。是反映固体的许多特性的重要标志。在熔点时，原子振幅达到使晶格 在熔点时，原子振幅达到使晶格(jn)(jn)破坏的数值，破坏的数值，和熔点 和熔点Ts Ts有：有：林德曼公式(gngsh)A:相对原子质量，V:原子体积，T s 熔点物理意义：反映原子结合力物理量，越高，其结合力越大第19 页/共57 页第二十页，共58 页。2.1 材料(cilio
16、)的热容 3 3）合金的热容 合金的热容 对于金属间化合物：近似有：对于金属间化合物：近似有：C=pC1+qC2 Neumann-Kopp C=pC1+qC2 Neumann-Kopp p,q p,q为化合物中分子各组成原子的百分数。为化合物中分子各组成原子的百分数。对于多相混合 对于多相混合(hnh)(hnh)组织，固溶体或化合物也有相同的规律：组织，固溶体或化合物也有相同的规律：Ca Ca为组元 为组元B B在固溶体中的原子浓度 在固溶体中的原子浓度改变(gibin)合金组织的热处理实际上不影响高温下的热容。低温下奈曼-柯普定律不再适用。第20 页/共57 页第二十一页，共58 页。2.1
17、 材料(cilio)的热容3.3.无机材料的热容 无机材料的热容 气孔率的影响：多 气孔率的影响：多孔材料因质量轻，孔材料因质量轻，热容小，所需的热 热容小，所需的热量要小于耐热材料。量要小于耐热材料。加热窑多用硅藻土，加热窑多用硅藻土，泡沫刚玉等。泡沫刚玉等。在较高温度下，在较高温度下，固体的摩尔热容等 固体的摩尔热容等于构成化合物各元 于构成化合物各元素 素(yun s)(yun s)原子热 原子热容的总和 容的总和对于(duy)复相：第21 页/共57 页第二十二页，共58 页。2.1 材料(cilio)的热容4.4.相变对热容 相变对热容(r rn)(r rn)的影响 的影响 对于一级
18、相变：在相变点，对于一级相变：在相变点，热容 热容(r rn)(r rn)发生突变，发生突变，热容 热容(r rn)(r rn)为无限大，为无限大，有体积效应及热效应 有体积效应及热效应 对于二级相变：比热也有 对于二级相变：比热也有变化，但为有限值，无体 变化，但为有限值，无体积效应及热效应 积效应及热效应第22 页/共57 页第二十三页，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀1.1.热膨胀本质 热膨胀本质 1 1）唯 唯象 象解 解释 释：热 热膨 膨胀 胀的 的本 本质 质为 为点 点阵 阵结 结构 构中 中的 的质 质点 点间 间平 平均 均距 距离 离随 随温 温度 度的 的
19、升 升高而增大。高而增大。在质点平衡位置 在质点平衡位置r0 r0两侧：两侧：rr0 rr0 rr0 斜 斜率 率小 小，引 引力 力(ynl)(ynl)随 随位 位移增加慢。移增加慢。因 因此 此，在 在一 一定 定温 温度 度下 下，平 平衡 衡位 位置 置不 不在 在 ro ro处 处，而 而是 是向 向右 右偏 偏移 移，温 温度 度高 高，则偏移大；导致宏观上晶体膨胀。则偏移大；导致宏观上晶体膨胀。第23 页/共57 页第二十四页，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀2 2）两原子模型：）两原子模型：由 由于 于热 热运 运动 动(yndng)(yndng)，两 两个 个原
20、 原子 子运 运动 动(yndng)(yndng)以 以一 一个 个为 为参 参照物，另一个偏离平衡位置 照物，另一个偏离平衡位置x,x,r=r0+x r=r0+x U=U(r)=U=U(r)=U(r)=U(r0)+cx2-gx3根据玻尔兹曼分布(fnb)：可以算出第24 页/共57 页第二十五页，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀2.2.膨胀 膨胀(png zhng)(png zhng)系数 系数 1 1）概 概念 念：用 用来 来描 描述 述温 温度 度变 变化 化时 时材 材料 料发 发生 生膨 膨胀 胀(png(png zhng)zhng)或 或收 收缩 缩程度的物理量为
21、程度的物理量为al al 平 平均 均线 线膨 膨胀 胀(png(png zhng)zhng)系 系数：数：平均体膨胀 平均体膨胀(png zhng)(png zhng)系数：系数：对于立方晶系：对于立方晶系：第25 页/共57 页第二十六页，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀例 例：一 一个 个篮 篮球 球(lnqi)(lnqi)场 场，篮 篮球 球(lnqi)(lnqi)框 框由 由一 一个 个金 金属 属支 支承 承系 系统 统挂 挂于 于天 天花 花板 板上 上，21 21度 度下 下篮 篮框 框高 高出 出地 地板 板3.048m,3.048m,自 自地 地板 板起 起，
22、天 天花 花板 板高 高15.25m,15.25m,在 在一 一场 场比 比赛 赛中 中，温 温度 度可 可升 升高 高15 15度 度，设 设悬 悬持 持系 系统 统的 的热 热学 学性 性质 质可 可用 用单 单根 根缆 缆绳 绳模 模拟 拟。用 用铝 铝和 和钨 钨哪 哪一 一种 种制 制造 造该 该系 系统 统？（aAl:aAl:2510-6 2510-6,W:4.5 W:4.5 10-10-6 6)第26 页/共57 页第二十七页，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀2 2）膨胀系数与其它物理量的关系）膨胀系数与其它物理量的关系(gun x)(gun x)：a)a)体膨胀系
23、数与热容存在关系 体膨胀系数与热容存在关系(gun x)(gun x)：b)b)膨胀系数与金属熔点关系 膨胀系数与金属熔点关系(gun x)(gun x)：c)c)膨胀系数和德拜特征温度：膨胀系数和德拜特征温度：d)d)硬度 硬度第27 页/共57 页第二十八页，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀3 3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：a)a)合金成分和相变 合金成分和相变 组 组成 成合 合金 金的 的溶 溶质 质(rngzh)(rngzh)元 元素 素及 及含 含量 量对 对合 合金 金的 的热 热膨 膨胀 胀有 有明 明显 显影 影响 响，如 如合 合金 金形 形成
24、 成均 均一 一的 的单 单相 相固溶体，则符合相加律。（混合定律）固溶体，则符合相加律。（混合定律）相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变）相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变）二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。第28 页/共57 页第二十九页，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀3 3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：b)b)晶体缺陷：晶体缺陷：由空位引起的晶体附加体积变化：由空位引起的晶体附加体积变化：由辐照空位而增加的体积为：由辐照空位而增加的体积为：c)c)晶 晶体 体和 和各 各
25、向 向异 异性 性：弹 弹性 性模 模量 量(tn(tn xn xn m m lin)lin)较 较高 高的 的方 方向 向将 将有 有较 较小 小的膨胀系数 的膨胀系数第29 页/共57 页第三十页，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀3 3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：d)d)铁磁性合金的铁磁转变 铁磁性合金的铁磁转变(zhunbin)(zhunbin)出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。e)e)加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。第30 页/共57 页第三十一页
26、，共58 页。2.2 材料(cilio)的热膨胀可伐合金(hjn)，英文：KOVAR Fe-Ni(29%wt)-Co(17%wt)因瓦合金(hjn)，英文：INVAR Fe-Ni(36%wt)第31 页/共57 页第三十二页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性1.1.热传导宏观规律和微观机制 热传导宏观规律和微观机制 1 1）傅里叶定律）傅里叶定律 热 热传 传导 导：一 一块 块材 材料 料(cilio)(cilio)温 温度 度不 不均 均匀 匀或 或两 两个 个温 温度 度不 不同 同的 的物 物体 体相 相互 互接 接触 触，热 热量 量便 便会 会自 自动 动的 的从高温
27、度区向低温度区传播。从高温度区向低温度区传播。q:热流密度；k：热导率（导热系数）W/(mk)单位面积上的热量正比(zhngb)于温度梯度，其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。第32 页/共57 页第三十三页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性 2 2）热扩散率（导温系数）和热阻）热扩散率（导温系数）和热阻 对 对于 于材 材料 料(cilio)(cilio)各 各点 点温 温度 度随 随时 时间 间变 变化 化时 时，温 温度 度是 是x x和 和t t的 的函 函数 数，当 当不 不与 与外 外界 界交 交换 换热量时有：热量时有：令 a：热扩散率（导温系数）物理意义：标志
28、温度(wnd)变化的速度，将热量传导变化与温度(wnd)变化联系在一起。在相同加热条件下，a愈大，物体各处温差小。热阻：热量传递受到的阻力第33 页/共57 页第三十四页，共58 页。n n 例：判断铝合金和中碳钢哪 例：判断铝合金和中碳钢哪 个具有更高的淬火 个具有更高的淬火(cu hu)(cu hu)速度？速度？第34 页/共57 页第三十五页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性 2 2）导热的微观机制）导热的微观机制 固 固体 体中 中的 的导 导热 热主 主要 要靠 靠晶 晶格 格(jn(jn)振 振动 动的 的格 格波 波（声 声子 子）和 和自 自由 由电 电子 子的
29、的运 运动 动来实现：来实现：kph:声子热导率，ke：电子的热导率除金属外，一般固体(gt)特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。第35 页/共57 页第三十六页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性2.2.金属的热传导：金属的热传导：对 对于 于纯 纯金 金属 属，导 导热 热主 主要 要靠 靠自 自由 由电 电子 子，合 合金 金(hjn)(hjn)导 导热 热要 要考 考虑 虑声 声子导热的贡献。子导热的贡献。将 将金 金属 属中 中大 大量 量的 的自 自由 由电 电子 子看 看作 作是 是自 自由 由电 电子 子气 气，用 用理 理想 想气 气体 体的 的热 热导率公式描
30、述：导率公式描述：k：热导率（导热系数(xsh)）;C单位体积气体的热容；v分子运动的平均速度，l 分子运动的平均自由程。第36 页/共57 页第三十七页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性1 1）热传导和电导率的关系）热传导和电导率的关系(gun x)(gun x)：对由自由电子理论可知：对由自由电子理论可知：L0为洛伦兹数（Lorenz number)条件：不太低的温度下，低温(dwn)下不成立Widemann-FranzL0=2.4510-8V2/K2 第37 页/共57 页第三十八页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性2 2）热导率及其影响因素：）热导率及其影响
31、因素：纯金属 纯金属 a)a)温度 温度 对于 对于(duy)(duy)纯铜，纯铜，分为三个区 分为三个区 区 区 T T增大，增大，k k增大 增大 区 区 T T增大，增大，k k不变 不变 区 区 T T增大，增大，k k减小 减小 铋 铋，锑 锑金 金属 属熔 熔化 化时 时，热 热导 导率 率上 上升 升一 一倍 倍，共 共价 价键 键减弱，金属键加强。减弱，金属键加强。b)b)晶粒大小：晶粒粗大，热导率高 晶粒大小：晶粒粗大，热导率高 c)c)各 各向 向异 异性 性：立 立方 方晶 晶系 系与 与晶 晶向 向无 无关 关，非 非立 立方 方各 各向 向导性。导性。d)d)杂质：强
32、烈影响 杂质：强烈影响 第38 页/共57 页第三十九页，共58 页。表铜合金的性能(xngnng)Properties of copper alloy材 料组 成热膨胀系数10-6/热导率W/(mK)电导率IACS纯铜 Cu 17.0 388-399 95-101黄铜 Cu-Zn 18.1-19.8 29-60 30-57锡青铜 Cu-Sn 17.5-19.1 12-20 9-18铝青铜 Cu-Al 17.1-18.2 60-100 8-17硅青铜 Cu-Si 16.1-18.5 37-104 10-28锰青铜 Cu-Mn 20.4 108 6-16白铜 Cu-Ni 17 130 20第39
33、 页/共57 页第四十页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性2 2）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：合金 合金 a)a)无 无序 序固 固溶 溶体 体：浓 浓度 度(nngd)(nngd)增 增加 加，热导率减小，最小值一般在 热导率减小，最小值一般在50%50%处。处。b)b)有 有序 序固 固溶 溶体 体：热 热导 导率 率提 提高 高，最 最大 大值 值对应于有序固溶体的成分。对应于有序固溶体的成分。c)c)钢 钢中 中的 的合 合金 金无 无元 元素 素，杂 杂质 质及 及组 组织 织状 状态都影响其热导率。态都影响其热导率。奥 奥氏 氏体 体 淬 淬火 火马 马
34、氏 氏体 体 回 回火 火马 马氏 氏体 体 珠 珠光体 光体 第40 页/共57 页第四十一页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性3.3.无机非金属的热传导：无机非金属的热传导：1 1）传 传导 导机 机制 制：导 导热 热主 主要 要靠 靠声 声子 子，还 还有 有光 光子导热。子导热。2 2）热导率的影响因素：）热导率的影响因素：a)a)温 温度 度(wnd)(wnd)：单 单晶 晶 Al2O3 Al2O3 分 分为 为四 四个温度 个温度(wnd)(wnd)区间 区间 迅速上升区 迅速上升区 极大值区 极大值区 迅速下降区 迅速下降区 缓慢下降区 缓慢下降区 b)b)化学组
35、成：化学组成：对 对于 于无 无机 机非 非金 金属 属材 材料 料：材 材料 料结 结构 构相 相同 同，相 相对 对原 原子 子质 质量 量小 小，密 密度 度小 小，弹 弹性 性模 模量 量大 大，德 德拜 拜温 温度 度(wnd)(wnd)越 越高 高，热 热导 导率 率越 越大 大。轻 轻元 元素 素的 的固 固体 体和 和结 结合 合能 能大 大的 的固 固体 体热导率大。热导率大。对于固溶体：降低热导率 对于固溶体：降低热导率第41 页/共57 页第四十二页，共58 页。2.3 材料(cilio)的导热性 c)c)晶 晶体 体结 结构 构的 的影 影响 响：晶 晶格 格结 结构
36、构复 复杂 杂，则热导率下降 则热导率下降(xijing)(xijing)。d)d)非晶热传导有其特殊性：非晶热传导有其特殊性：不 不考 考虑 虑光 光子 子导 导热 热，在 在所 所有 有温 温度下，非晶导热低于晶体；度下，非晶导热低于晶体；在 在较 较高 高温 温度 度下 下热 热导 导率 率比 比较 较接 接近 近 非 非晶 晶热 热导 导随 随温 温度 度变 变化 化没 没有 有出 出现极值。现极值。第42 页/共57 页第四十三页，共58 页。2.4 热电性（thermoelectricity)thermoelectricity)1.1.热电效应 热电效应 1 1）塞贝克）塞贝克Se
37、ebeck Seebeck效应：效应：两 两种 种不 不同 同材 材料 料AB AB组 组成 成回 回路 路，且 且两 两端 端温 温度不同，则在回路中存在电动势。度不同，则在回路中存在电动势。其 其电 电动 动势 势的 的大 大小 小(dxio)(dxio)与 与材 材料 料和 和温 温度 度有关。有关。在温差较小时，有：在温差较小时，有：SAB:A,B的相对 塞贝克系数 由于(yuy)电动势有方向性，所以SAB也有方向性第43 页/共57 页第四十四页，共58 页。2.4 热电性2.2.热电性的应用及热电材料 热电性的应用及热电材料 1 1）通过热电性的测试，分析金属材料组织结构的转变，（
38、合金时效，马氏体回火）通过热电性的测试，分析金属材料组织结构的转变，（合金时效，马氏体回火）2 2）热电偶测温（）热电偶测温（seebeck)seebeck)热电极：热电极：a)a)热电势与温度有良好的线性关系 热电势与温度有良好的线性关系(gun x)(gun x)b)b)具有大的热电系数 具有大的热电系数 c)c)具有复制性和温度 具有复制性和温度-热电势关系 热电势关系(gun x)(gun x)的稳定性 的稳定性 热电偶回路定律：热电偶回路定律：a)a)同质电极构成热电回路，则热电势为 同质电极构成热电回路，则热电势为0 0 b)b)均匀导体二端没有温度差时，导体有温度梯度时其热电势
39、均匀导体二端没有温度差时，导体有温度梯度时其热电势 也为 也为0 0 高温：铂铑 高温：铂铑-铂 铂 中温，低温：铜 中温，低温：铜-康铜 康铜 或 或 铁 铁-康铜 康铜 3 3）温差发电（）温差发电（seebeck)seebeck)4 4）电致冷（）电致冷（Peltier)Peltier)第44 页/共57 页第四十五页，共58 页。2.5 材料(cilio)的热稳定性1.1.表征：表征：热稳定性：材料承受温度急骤变化而不致破坏的能力 热稳定性：材料承受温度急骤变化而不致破坏的能力.(.(抗热震性）抗热震性）日用瓷器：日用瓷器：200K 200K的温差 的温差 火 火箭 箭喷 喷嘴 嘴：瞬
40、 瞬时 时承 承受 受3000-4000K 3000-4000K温 温差 差的 的热 热冲 冲击 击，同 同时 时还 还要 要经 经受 受高 高速 速气 气流 流和 和化学腐蚀作用。化学腐蚀作用。热冲击损坏类型：热冲击损坏类型：1 1）抗热冲击断裂性：抵抗材料发生瞬时断裂的能力 抗热冲击断裂性：抵抗材料发生瞬时断裂的能力 2 2）抗 抗热 热冲 冲击 击损 损伤 伤性 性：在 在热 热冲 冲击 击循 循环 环作 作用 用下 下，材 材料 料表 表面 面开 开裂 裂，剥 剥落 落并 并不 不断 断发展，最终失效或断裂；材料抵抗这类破坏的能力。发展，最终失效或断裂；材料抵抗这类破坏的能力。红 红外
41、 外窗 窗口 口(chungku)(chungku)的 的抗 抗压 压ZnS ZnS，165 165度 度保 保温 温1 1小 小时 时，投 投入 入19 19度 度的 的水 水中 中，不 不能有微裂纹；能有微裂纹；日 日用 用瓷 瓷：不 不断 断升 升温 温，投 投到 到水 水中 中，直 直至 至裂 裂纹 纹出 出现 现，其 其前 前一 一次 次温 温度 度来 来表 表征 征其 其热 热稳定性 稳定性 耐 耐火 火材 材料 料：加 加热 热850 850度 度，保 保温 温，水 水中 中3 3分 分钟 钟或 或空 空气 气中 中5-10 5-10分 分钟 钟，重 重复 复到 到失 失重 重2
42、0%20%为止 为止第45 页/共57 页第四十六页，共58 页。2.5 材料(cilio)的热稳定性2.2.热应力：热应力：热应力：仅由材料热膨胀或收缩引起的内应力 热应力：仅由材料热膨胀或收缩引起的内应力 可导致：断裂 可导致：断裂(dun li)(dun li)破坏或者塑性变形 破坏或者塑性变形 热应力的来源：热应力的来源：1 1）因热胀冷缩受到限制而产生的热应力 因热胀冷缩受到限制而产生的热应力 当这根杆的温度从 当这根杆的温度从T0 T0改变到 改变到T1 T1时，产生的热应力为：时，产生的热应力为：T 0 T 1 T 1 T1T0 时，0，杆受压应力(yngl)T10，杆受拉应力(
43、yngl)第46 页/共57 页第四十七页，共58 页。2.5 材料(cilio)的热稳定性 2 2）因温度梯度而产生的热应力 因温度梯度而产生的热应力 物 物体 体迅 迅速 速加 加热 热时 时，外 外表 表面 面(biomin)(biomin)温 温度 度比 比内 内部 部高 高，则 则外 外表 表膨 膨胀 胀比 比内 内部 部大 大，但 但相 相邻 邻的 的内 内部 部的 的材 材料 料限 限制 制其 其自 自由 由膨 膨胀 胀，因 因此 此表 表面 面(biomin)(biomin)受 受压 压应 应力 力，而 而相 相邻 邻内 内部 部材 材料 料受 受拉 拉应 应力 力。同 同理
44、理，迅 迅速 速冷 冷却 却时 时（如 如淬 淬火 火），表 表面 面(biomin)(biomin)受 受拉 拉应 应力 力，相 相邻 邻内 内部 部材料受压缩应力。材料受压缩应力。3 3）多相复合材料因各向膨胀系数不同而产生的热应力 多相复合材料因各向膨胀系数不同而产生的热应力A B A B A B第47 页/共57 页第四十八页，共58 页。2.5 材料(cilio)的热稳定性3.3.抗热冲击 抗热冲击(chngj)(chngj)断裂性能：断裂性能：1 1）第一热应力抵抗因子 第一热应力抵抗因子R R：当 当最 最大 大热 热应 应力 力值 值max max f f(强 强度 度极 极限
45、 限），材 材料 料就 就不 不会 会断 断裂 裂，材 材料 料所 所能 能承 承受 受的 的温 温差 差越 越大 大，材 材料的热稳定性就越好。料的热稳定性就越好。R：第一热应力因子；：泊松比；al:热膨胀系数(png zhng xsh)；E：弹性模量 第48 页/共57 页第四十九页，共58 页。2.5 材料(cilio)的热稳定性3.3.抗热冲击性能：抗热冲击性能：2 2）第二热应力抵抗因子 第二热应力抵抗因子R R：热稳定性除与 热稳定性除与Tmax Tmax相关外，还与下列因素有关：相关外，还与下列因素有关：a)a)材料 材料(cilio)(cilio)热导率 热导率k k：k k增
46、加，其热应力小 增加，其热应力小 b)b)传热的途径：材料 传热的途径：材料(cilio)(cilio)愈薄，愈易达到温度均匀 愈薄，愈易达到温度均匀 c)c)材 材料 料(cilio)(cilio)表 表面 面散 散热 热率 率：表 表面 面热 热传 传递 递系 系数 数h,h,h h越 越大 大，其 其热 热稳 稳定 定性 性越 越差。差。如材料 如材料(cilio)(cilio)样品的厚度为 样品的厚度为rm,rm,则有毕奥模数 则有毕奥模数 显然(xinrn)，大，对热稳定性不利 第49 页/共57 页第五十页，共58 页。2.5 材料(cilio)的热稳定性3.3.抗热冲击性能 抗热
47、冲击性能(xngnng)(xngnng)：2 2）第二热应力抵抗因子 第二热应力抵抗因子R R：单位：单位：(J/cm/S),(J/cm/S),如考虑样品的形状则有：如考虑样品的形状则有：S 为非平板样品的形状因子。讨 论：具 有 高 的 热 导 率k,高 的 断 裂 强 度，低 的 热 膨 胀 系 数 和 弹 性 模E，则 具 有 高 热 冲 击(chngj)断 裂性能。3）第三热应力抵抗因子R（明确最大冷却速率）第50 页/共57 页第五十一页，共58 页。用途用途(yngt)(yngt)和应用领域和应用领域n n 微处理器的盖和散热片：微处理器的盖和散热片：第51 页/共57 页第五十二
48、页，共58 页。用途用途(yngt)(yngt)和应用领域和应用领域n n 印刷电路板的芯：印刷电路板的芯：n n 通过减少热循环失配和 通过减少热循环失配和振动疲劳、提供优异的 振动疲劳、提供优异的热性能，提高表面组装 热性能，提高表面组装(z(z zhun zhun)的可靠性减少 的可靠性减少重量。重量。第52 页/共57 页第五十三页，共58 页。用途用途(yngt)(yngt)和应用领域和应用领域n n 电子器件底座 电子器件底座(d(d zu)zu)和外壳：和外壳：n n 如整流管、晶闸 如整流管、晶闸管、稳压管等螺栓型 管、稳压管等螺栓型分立器件外壳，圆饼 分立器件外壳，圆饼形功率
49、元器件外壳，形功率元器件外壳，功率半导体集成电路 功率半导体集成电路外壳，混合集成电路 外壳，混合集成电路外壳和整流桥外壳等。外壳和整流桥外壳等。开关(kigun)三极管第53 页/共57 页第五十四页，共58 页。用途用途(yngt)(yngt)和应用领域和应用领域SMD 系列(xli)晶体管F 系列(xli)晶体管第54 页/共57 页第五十五页，共58 页。用途 用途(yngt)(yngt)和应用领域 和应用领域TO 系列(xli)晶体管第55 页/共57 页第五十六页，共58 页。用途 用途(yngt)(yngt)和应用领域 和应用领域n n 功率 功率(gngl)(gngl)器件的底 器件的底座和热沉：座和热沉：n n n n 高性能 高性能IGBT IGBT（绝缘栅（绝缘栅双极型晶体管）和 双极型晶体管）和MOSFET MOSFET（金属氧化物半（金属氧化物半导体场效应晶体管）功 导体场效应晶体管）功率 率(gngl)(gngl)器件底座中 器件底座中代替大膨胀系数的无氧 代替大膨胀系数的无氧铜，提高可靠性。铜，提高可靠性。第56 页/共57 页第五十七页，共58 页。感谢您的观看(gunkn)。第57 页/共57 页第五十八页，共58 页。