材料科学与技术讲义材料的热性质与光性质

波动性与粒子性的联系方程：
光子能量
E h hC /
通常意义的光 — 可见光： : 0.4 ~ 0.7m 电磁破
光（电磁）波 — 横波，两个振动矢量：
电场强度 E
磁场强度 H
电磁波在真空中传播速度： C 1/ 00
E
H
传播方向
电磁波在介质中传播速度： v 1/ C / r r r , r : 介质的相对介电常数和相对磁导率
若棒两端未被夹持： 棒能自由膨胀或收缩、内部无热应力 若棒两端被刚性固定：
温度： T0 Tf
热应力： El (T0 Tf ) ElT
E : 弹性模量； lT l / l0
应变、线性相对变化量
加热时 Tf T0 :
0 棒受压缩应力作用；
冷却时 Tf T0 :
0 棒受拉伸应力作用
热膨胀与原子结合键有关： 结合键强、热膨胀小 离子键、共价键结合的材料：热膨胀小； 金属键：具有中等的热膨胀系数； 以共价键和范德瓦尔斯结合的聚合物：热膨胀系数最大
材料
(oC 1)
陶瓷
金属
聚合物
0.5 ~ 15106 5 ~ 25106 50 ~ 300 106
三、材料的导热性
1、傅里叶导热定律
300
Cu – Zn 合金热导率
200
随Zn 含量的变化
100
Zn 含量增加、热导率下降
0
c、非金属 （ 陶瓷）、聚合物的热导率
10 20 30 40
组成， wt 00 Zn
传递热量的热载流子主要是声子
陶瓷的组成和结构远比金属复杂：
除晶相、还包括玻 璃相及一定的空隙
声子在传播时受原子构成高度 无序的不均匀相的强烈地散射
二、金属的光学特性
吸收
金属对可见光不透明：入射光
反射
金属的光学性质与金属的能带密切有关
费米能级以上为准连续的空能级；
以下为充满电子的准连续的能级
（绝对零度下）
除高频电磁辐射 — X 射线、 射
入射 光子
线外，几乎所有的低频辐射光子
（无线电波 — 紫外），都能被吸收
空态 能量
E
费 米
能
满级
态
任意光子 h 总能找到一个
孤立原子能级是分立能级，电子 对吸收光子的能量有严格的要求
h ij Ei E j
Ei , E j : 电子能级
晶体吸收光子的情况：
晶体中、原来孤立原
Ei
i
子的分立能级被准连 续的能带所取代
Ej
j
孤立原子
晶体
跃迁条件
h ij Ei E j
易于实现
跃迁辐射：激发的逆过程
电子在激发态停留时间很短，由激发态回到基态、 产生电磁辐射，过程可是直接、也可是间接
新平衡位置右移越多、r 越大，
晶体膨胀越大。
原子平均间距 随温度的变化：
3、影响热膨胀因素
T3 T4 T1 T2
0
r0
r
原子振 动能量
温度 T、 平均位置
热膨胀与结构有关： T Tg :
非晶材料属液相结构，材料的热膨胀除起因 于原子间距的增大外、还与材料中的自由体 积（未被原子占据的空穴）的膨胀有关
dx
: 热导率，单位：J /(m k s) or W /(m k)
热导率反映材料的导热能力、不同材料的导热能力差异很大
金属： 50 ~ 415(W / m k) 合金： 12 ~ 120 非金属： 0.17 ~ 0.7 绝缘材料： 0.03 ~ 0.17
2、热传导机理（微观机制）
固体的组成质点只能在平衡位置附近作微小 振动，不能像气体依靠分子碰撞传递热量
固体导热机制：声子（晶格振动的晶格波）和自由电子
固体热导率： ph e ph : 声子热导率 e : 电子热导率
纯金属： e ph
以电子导热为主
合金： 电子和声子共同起作用
非金属材料： ph e
以声子导热为主
a、金属的热导率 金属主要热载流子 — 自由电子 （电载流子）
热导率和电导率间的联系：（Wiedemann – Franz 首先发现）
材料科学与技术讲 义材料的热性质与
光性质
二、材料的热膨胀
1、热膨胀系数
所有材料都有热胀冷缩性
热膨胀系数
线热膨胀系数和体热膨胀系数
平均线热膨胀系数： l
l l1T
l2 l1 l1(T2 T1)
l1 : 温度 T1 时的试样长度； l2 : 温度 T2 时的试样长度
平均体热膨胀系数：V
V V1T
平衡位置 r0 (合力为零)的
两侧合力曲线的斜率不等
F(r) 力
合
斥力
力
0 r0
距离 r
引力
原子相互作用势能曲线
U (r)
势能曲线关于 r0 处的虚线不对称
0
r r0 : 作用力和势能曲线的斜率较大；
r0
r
r r0 : 作用力和势能曲线的斜率较小；
原子振动时的平均距离： r r0
U (r)
温度越高、振幅越大，原子在平 衡位置两侧受力的不对称越显著，
不太低的温度下 e / L0T
金属热导率与电导率之比正比于温度
L0 : 洛仑兹系数 (Lorentz number) 理论值： L0 2.45108 (V 2 / k 2 )
b、合金的热导率
如同合金的电导率比纯金属的电导率， 合金
金属
原因：合金中的自由电子受合金晶格、 热导率 杂质、非均匀相的散射强烈 400 W /(m.K )
V2 V1 V1(T2 T1)
V1 : 温度 T1 时的试样体积； V2 : 温度 T2 时的试样体积
热膨胀系数一般是温度的函数
温度 T 时的线 热膨胀系数：
dl
ldT
温度 T 时的体 热膨胀系数：
dV
VdT
许多材料的线热膨胀系数是各相异性
各向同性材料（立方系）：
3
热膨胀系数是工程上重要的物理参数之一：
V a3 dV 3 da
Va
材料间的封接，真空系统中要求材料的热膨胀系数 相近、否则易漏气；多晶、多相的复杂结构的材料 中，各相、各方向膨胀系数的不同会引起热应力
2、热膨胀的起因
热膨胀的本质：原子平均距离随温度的增大
原子间作用力随距离 起因于： 非线性变化、原子的
振动是非简谐振动
原子间作用力
3、多相复合材料中各相膨胀系数不同引起的热应力
与情况2类似
不是机械力的约束、而是各相 间膨胀、收缩的相互制约引起
第四节 材料的光学性质
光在高科技的地位不断提高，电子器件和光 子器件融合、光集成器件是重要的研究方向
一、光的属性、光与物质的作用
1、光的属性回顾 光的波动性与粒子性
有些情况波动性占主导地位； 有些情况粒子性占主导地位
热传导： 材料温度不均匀时，或两温度不同的物体相 接触时，热量自动从高温区向低温区传递
均匀金属棒的两端分
别与两恒温热源接触
热平衡时各处的温
T1
度不随时间变化
稳态
x
T2
热流密度：单位时间内通过与热传导方向垂直的 单位面积的热能
通过金属棒的热流密度： q dT
dx
负号：热能从高 温向低温传递
q dT
b、电子能态转变 光子的吸收或散射一般涉及电子能态的转变
光子因被吸收或被散射而消失或改变方向和能量； 电子因吸收光子的能量而被激发到高能态
孤立原子吸收光子的情况： E2 能级上的电子 只有吸收能量为
E E4 E2 h 42
E5 E4
能 E3
量 E2 E1
频率为 42的
入射光子
的光子，才能 到达 E4 能级
空能级 E、满足跃迁条件：
h E E'
E' :
E f 以下的占有电子能级
金属不透明，0.1m 厚的金
箔几乎可吸收全部入射光子
空态
反射光：光激发的电子的跃迁辐射光
大多数金属的反射系数：0.9 ~ 0.95 入射光中仅一小部分在金属 表面层内以热的形式损耗掉
金属的颜色：不是由吸收光的波长决定、 而是由反射光的波长决定
RT A1
反射率、透射率、散射率、吸收率
金属对可见光不透明
入射光
反射 吸收
光与物质间作用的实质
光子与物质中的原子、离 子、电子间的相互作用
两种主要作用：电子极化和电子能态变化
a、电子极化 光波中电场分量对物质的作用远大于磁场分量的作用 电子极化: 光波的交变电场引起的电子位移极化
电子极化吸收部分光能、引起光速减小、导致光的折射
2、温度梯度产生的热应力
材料受热或冷却时，内部温度分布与其形 状、大小及热导率，和温度变化率有关
材料中若有温度梯度，引起热应力
例：材料被从外部迅速加热或冷却：
加热：表面比内部温度高、表面膨胀比内部大，相邻的 内部限制表面的自由膨胀，表面受到压应力、 相邻内部受到拉应力
冷却：表面受拉应力、相邻内部受压应力
热的不良导体、热 导率远小于金属
陶瓷中的空隙对热导率影响最大，空隙率高、导热率低
多孔陶瓷、多孔聚合物
绝热材料
四、材料的热应力
热应力：材料热胀或冷缩引起的内应力
引起材料塑性变形、特性变化、甚至断裂
热应力主要来源下列三个方面：
1、热胀冷缩受到限制产生的热应力 均质、各向同性的棒，受到均匀加 热或冷却、棒内不存在温度梯度
E
发
满 态
射 光 子
日光照射下大多金属呈现银灰色 有色金属：反射光中该颜色波长的可见光成分多
三、非金属的光学性质
希望，只有和勤奋作伴，才能如虎添翼。 哪里会有人喜欢孤独，不过是不喜欢失望。 人与人之间最大的信任就是关于进言的信任。——培根 只要你想想一个人一生中有多少事务是不能仅靠自己去做的，就可以知道友谊有多少益处了。——培根 应当在朋友正是困难的时候给予帮助，不可在事情已经无望之后再说闲话。 山涧的泉水经过一路曲折,才唱出一支美妙的歌。 方向比速度重要，智慧比吃苦重要，学习比学历重要，机遇比关系重要，要什么比做什么重要！ 遇到困难时不要放弃，要记住，坚持到底就是胜利。 读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿 只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼罗兰 一口吃不成胖子，但胖子却是一口一口吃来的。 按照自己的活法，快乐的生活，活得像自己就好了，何必在意那么多，勇敢地走自己的路，让别人说去吧。
2、光与物质的作用从一种介质（空气来自入射另 一种介质的光成为四部分：
反射、透射、散 射、吸收部分
I0 IR IT I I A
I0 IR IT I I A
I0 : 入射光束强度， I R : 反射强度， IT : 透射强度，
I : 散射强度，
I A : 吸收强度
IR / I0 IT / I0 I / I0 I A / I0 1