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江大材料物理性能复习资料
第1章材料的热学性能
1.热容的概念(P42):
热容是分子或原子热运动的能量随温度变化而变化的物理量,其定义是物体温度升高1K所需增加的能量。
温度不同,物体的热容不一定相同,温度T时物体热容为:
(简单点就直接用这个吧:
)
PS:
物理意义:
吸收热量提高点阵振动能量,对外做功,加剧电子运动
比热容(单位质量):
2.晶体热容的经验定律(P42):
杜隆—珀替定律:
恒压下元素的原子热容为25J/(K·mol)
奈曼—柯普定律:
化合物热容等于构成此化合物各元素原子热容之和
3.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热容大小(P46):
A金属:
a纯金属:
热容由点阵振动和自由电子运动两部分组成:
b合金金属:
符合奈曼—柯普定律
图2-5热焓、热容与加热温度的关系)。
B无机非金属:
a符合热容理论,一般都是从低温时的一个低数值增加到1273K左右近似于25J/(K·mol)的数值;b无机材料热容与材料结构关系不大,但单位体积热容与气孔率有关,多孔质轻热容小;c当材料发生相变:
一级相变:
体积突变,有相变潜热,温度Tc热容无穷大,不连续变化;二级相变:
无体积突变,无相变潜热,在转变点热容达到有限极大值(P47
C高聚物:
多为部分结晶或无定型结构,热容不一定符合理论式,热容相对较大,且由化学结构决定,温度升高链段振动加剧,改变链运动状态(主链、支链(链节、侧基))。
4.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热传导机制(P53):
A金属:
有大量自由电子,且电子质轻,实现热量迅速传递,热导率一般较大。
纯金属温度升高使自由程减小作用超过温度直接作用,热导率随温度上升而下降;合金热传导以自由电子和声子为主,因异类原子存在,温度本身起主导作用,热导率随温度上升增大。
B无机非金属:
晶格振动为主要传导机制,即声子热导为主,约为金属热传导的三十分之一。
C高聚物:
热导率与温度关系比较复杂,但总体来说热导率随温度的增加而增加。
高聚物主要依靠链段运动传热为主,而高分子链段运动比较困难,热导能力比较差。
5.材料热膨胀物理本质:
热膨胀是指物体体积或长度随温度升高而增大的现象。
膨胀是原子间距(晶格结点原子振动的平衡位置间的距离)增大的结果,温度升高,原子平衡位置移动,原子间距增大,导致膨胀。
双原子模型:
P49图2-6.
6.热膨胀系数和熔点之间的关系(P49):
温度升高至熔点,原子热运动突破原子间结合力,破坏原固态晶体结构变为液态,所以固态晶体膨胀有极限值。
格律乃森定律:
(C为常数,约在0.06-0.076之间,)
线膨胀系数与熔点:
固态晶体熔点越高,膨胀系数越低,间接反映晶体原子间结合力大小。
(增大)
7.热分析法概念:
测量材料在加热或冷却过程中热效应所产生的温度和时间的关系。
但材料固态相变时,产生的热效应小,普通热分析测量精度不高。
8.差热分析法概念:
在程序控温下,将被测物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的温差随温度、时间的变化关系。
对参比物的要求:
应为热惰性物质,在测试温度围本身不发生分解、相变、破坏,也不与被测物质发生化学反应,且比热容、热传导系数应尽量与试样接近。
(如硅酸盐采用Al2O3、MgO;钢铁采用镍。
)
9.热应力(P63):
由于材料热膨胀或收缩引起的应力称为热应力。
材料应力:
产生原因:
杆件材料两端完全刚性约束,热膨胀无法实现,则杆件与支撑体间产生很大应力;多相组成材料,不同相膨胀系数不同,温度变化时各相膨胀收缩量不同而相互牵制产生热应力;各相同性材料,存在温度梯度时也会产生热应力。
10.抗热冲击断裂(P64):
发生瞬时断裂,抵抗这类破坏的性能。
第一热应力断裂抵抗因子:
最大热应力
不超过强度极限
,则材料安全。
材料可承受温度变化围越大,热稳定性约好。
第二热应力断裂抵抗因子:
,
越大,热稳定性约好。
(散热)
第三热应力断裂抵抗因子:
(冷却速率)
抗热冲击损伤(P62):
在热冲击循环作用下,材料表面开裂、剥落,并不断发展,最终碎裂或变质,抵抗这种破坏的性能称为抗热冲击损伤性能。
抗热应力损伤因子
,二者值越高抗热损伤性能越好。
11.提高抗热冲击断裂措施(P69):
1)提高材料强度
,减小弹性模量E,使
提高(同种材料若晶粒细小、晶界缺陷小、气孔少且分散均匀,往往强度高,抗热冲击性能好)。
2)提高材料的热导率
,提高
(
大的材料传递热量快,材料外温差较快得到缓解、平衡,降低短期热应力的聚集)。
3)减小材料的热膨胀系数
,热膨胀系数小的材料,在同样温差下产生热应力小。
4)减小表面热传递系数h,保持缓慢散热降温。
5)减小产品的有效厚度
。
第2章材料的导电性能
1.超导电性(P115):
一定低温条件下,材料突然失去电阻的现象。
(超导态电子对运动不耗能)
超导体的两个基本特性:
A完全导电性:
电阻为零,超导体为等电位,部没有电场。
B完全抗磁性(迈斯纳效应):
屏蔽磁场和排除磁通的性能。
2.固溶体的导电性:
1)固溶体组元浓度影响:
形成固溶体合金导电率降低,原因A溶质原子引起溶剂点阵畸变,破坏晶格势场周期性,增加电子散射概率,增大电阻率;B组元间化学相互作用增强,有效电子数减少,电阻率增大。
2)有序固溶体:
A组元间化学相互作用加强,电子结合比无序固溶体强,电子数减少,电阻率增强;B晶体的离子电场有序化后更对称,减少电子散射,电阻降低,这一因素占优势。
总体合金电阻降低。
3)不均匀固溶体:
冷加工变形使电阻减小。
形成不均匀固溶体时,点阵形成原子偏聚,偏聚区成分与固溶体成分不同,原子聚集区域的集合尺寸与电子波波长相当(1nm),可强烈散射电子波,提高合金电阻率。
聚集区域的原子为有序排列,冷加工能有效地破坏固溶体中的这种近程有序状态,是不均匀组织变成无序的均匀组织,因此合金电阻率明显降低。
温度、压力、形变对于导电性质的影响
温度:
金属电阻率随温度升高而增大,温度升高会使离子振动加剧,热振动振幅加大,原子的无序度增加,周期势场的涨落也加大。
这些因素都使电子运动的自由程减小,散射概率增加而导致电阻率增大。
大多数金属在熔化成液态时,其电阻率会突然增大约1.5~2倍,这是由于原子排列的长程有序被破坏,从而加强了对电子的散射,引起电阻增加。
应力的影响:
弹性应力围的单向拉应力,使原子间的距离增大,点阵的畸变增大,导致金属的电阻增大。
高的压力往往能导致物质的金属化。
引起导电类型的变化,而且有助于从绝缘休—半导体—金属—超导体的转变。
冷加工变形的影响:
引起金属电阻率增大,是由于冷加工变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加,特别是空位浓度的增加,造成点阵电场的不均匀而加剧对电子散射的结果。
若对冷加工变形的金属进行退火,使它产生回复和再结晶,则电阻下降。
再结晶生成的新晶粒的晶界增多,对电子运动的阻碍作用增强所造成的,晶粒越细,电阻越大。
(回复退火可以显著降低点缺陷浓度,因此使电阻率有明显的降低。
再结晶过程可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷,所以再结晶可使电阻率恢复到冷变形前的水平。
)
3.金属化合物导电性:
合金导电率比纯组元低,因原子间一部分金属键转化成共价键或离子键,有效电子数减少,电阻率增高。
4.多相合金的导电性:
与组成相的导电性、相对量、合金的组织形态有关。
5.影响金属导电性的因素(P119):
1)温度:
温度升高,热振动振幅加大,原子无序度增加,电子运动自由程减小,散射概率增大,电阻率增大。
2)应力:
拉应力使原子间距增大,点阵畸变增大,电阻增大。
电阻率
。
3)冷加工变形(塑性变形):
使晶体点阵畸变,晶体缺陷增加,空位浓度增加,造成离子场不均匀,对电子波散射率增大,导致电阻增加。
回复退火再结晶降低缺陷浓度,降低电阻率。
6.三个热电效应概念及物理本质:
热电效应指热与电的转换效应
1)第一热电效应(塞贝克效应P141):
两种不同导体组成一个闭合回路,若两接头处存在温差,回路中将有电势及电流产生。
回路中产生的电势、电流称为热电势、热电流;该回路称为热电偶或温差电池。
产生机理:
A接触电位差:
原因a两种金属的电子逸出功(电子从金属表面逸出所需的最小能量,与金属表面势垒E0和费米能级EF有关)不同,电位差
;b两种金属自由电子密度不同,电位差
。
B温差电位差:
指金属两端温度不同引起热流,造成自由电子流动,从而引起的电位差。
热端高能电子向冷端扩散,热端带正电,冷端带负电,金属部产生阻止电子扩散的温差电场,稳定后为Va(T1,T2)、Vb(T1,T2)。
总电位差:
塞贝克效应应用:
测量温度、温差发电、材料成分组织分析。
中间金属定律:
一系列金属串联的接触电势,只要中间金属两端温度相同,不论其性质如何都与中间金属无关,只与两端金属有关。
2)第二热电效应(波尔帖效应P148):
指电流通过两个不同金属接触点,除电流产生焦耳热,还额外产生放热吸热的现象。
焦耳热与电流方向无关,波尔贴热与电流方向有关且热力学可逆。
正反通电,两次的热量差为2Q(两倍波尔帖热)。
产生机理:
用接触电位差解释(P149图4-53),A接头处两金属接头有接触电位差V12,阻碍电流电子运动,电子反抗电场力做功eV12,电子动能减小;减速电子与金属原子相碰,从金属原子获得动能,则该处温度降低,需从外界吸收能量。
B接头处接触电位差使电子运动加速,电子动能增加eV12,碰撞将动能传递给原子,温度升高释放热量。
3)第三热电效应(汤姆逊效应P149):
指当电流通过有温差的导体时,会有一横向热流流入或流出导体(横向吸热或放热),其方向视电流或温度梯度方向而定的现象:
。
产生机理:
(P149图4-54)金属存在温差时,高温端电子扩散快为正电,低温端为负电,形成高温端指向低温端的电位差,当外加电流与V(T1,T2)同向时,电子被温差电场加速获得能量,与晶格碰撞传给晶格,金属能量升高并放热。
外加电流反向则吸热。
●一个由两种导体组成的回路,接触端温度不同,三种热效应会同时产生:
塞贝克热效应产生热电势、热电流,热电流通过接触点要吸收或放出波尔帖热,通过导体时要吸收或放出汤姆逊热。
第3章材料的介电性能
1.电介质(P154):
放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。
电介质即在电场作用下能建立极化的物质。
2.束缚(感应)电荷:
在真空平板电容中嵌入一块电介质,外加电场时,正极板附近的介质表面感应出负电荷,负极板介质表面感应出正电荷,这种感应出的表面电荷称为束缚电荷。
3.电介质极化:
电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象,可使电容器增加电荷的存储能力。
4.电介质的压电性、热释电性、铁电性的产生条件:
1)压电性(P181):
在晶体的一些特定方向上加力,在力的垂直方向的平面出现正、负束缚电荷的现象。
产生条件:
A必须是电介质;B结构必须带有正、负电荷的质点,有离子或离子团的存在,即必须为离子晶体或由离子团组成的分子晶体;C结构没有对称中心。
2)热释电性(P182):
晶体由于温度作用使电极化强度变化。
条件:
A具有自发极化(固有极化)能力的晶体;B在结构上有极轴(晶体唯一的轴,轴两端有不同的性质,采用对称操作不能与其他晶向重合的方向)C结构没有对称中心。
3)铁电性:
晶体中极化强度随外加电场变化而变化的性质。
一般电介质、压电体、热释电体、铁电体存在的宏观条件
一般电介质
压电体
热释电体
铁电体
电场极化
电场极化
电场极化
电场极化
无对称中心
无对称中心
无对称中心
自发极化
自发极化
极轴
极轴
电滞回线
第4章材料的磁学性能
1.原子磁矩包括电子轨道磁矩(电子绕原子核运动产生)、电子自旋磁矩、原子核磁矩。
2.原子固有磁矩概念(P194):
电子轨道磁矩和电子自旋磁矩构成原
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