卢荣洪 20121000978 034121班

材料热力学在材料科学与工程中的应用姓名：卢荣洪班级：034121 学号：20121000978摘要：材料是人类用来制造有用构件、器件或物品的物质。

材料是现代科技和国民经济的基础，是当代文明的三大支柱之一。

材料对人类有着重大意义，而材料科学与工程与人们的生活息息相关，人类从未停止过对材料的研究和对材料科学与工程的应用的探索。

本文将就材料热力学在材料科学与工程中的应用进行简单介绍。

1 材料热力学及其发展的简介材料热力学就是把热力学原理和材料联系起来，用热力学的理论解决材料在设计、制造、应用时的相应问题。

材料热力学理论内容包括了热力学第一、二、三定律，自由能，麦克斯韦方程及其应用，相平衡，统计热力学，溶液的统计热力学，相图热力学，相变热力学，化学平衡热力学，材料中的一些物理现象的热力学分析等。

热力学发展从古希腊时期的四元素说开始了它的发展，十八世纪英国物理学家布莱克等人倡导的热素说，戴维行了摩擦冰块的实验对热质说发起了挑战，到19世纪中叶，热功当量的确定，才确立热是能量的表现形式的正确观点，进一步演绎成能量守恒定律。

19世纪70年代末玻尔兹曼的经典工作，统计热力学产生。

20世纪30年代出现了量子统计物理学和非平衡态理论，热力学进入了第四个时期。

2 材料科学与工程简介材料科学是近年来形成的交叉应用科学，他与工程技术的联系颇为紧密，所以人们把材料科学与工程联系在一起，称为“材料科学与工程”。

材料科学与工程包括的内容有四个方面，材料的结构与成分、材料的合成与加工、材料的性质性能、材料的效能。

材料的性能决定于材料的成分与结构，这些又决定于制备工艺，除此之外材料在实际上的运用也不得不考虑。

这四要素就是材料科学与工程的四要素。

3 材料热力学在材料设计中的应用材料设计与材料热力学有着密切的关系，人类使用材料的历史可以追溯到几千年前的石器时代，但是到上世纪中期之前材料设计还处于尝试阶段。

到了md法的出现结束了尝试阶段，进入了经验设计阶段。

计算机相图和多元合金数据库的出现，材料设计不再是依照经验，而是依照第一原理设计。

相图在材料研究者设计材料过程中有着重要的参考意义，CALPHAD相图可分为实验相图、计算相图和理论相图。

CALPHAD的出现大大提高了人们对材料领域的所有认识进行定量计算的可能性。

材料设计不再是依据经验盲目，而没有方向了，它开始具有了一定可预测性和可控制性。

3.1 现在以T i N i N b 的宽之后形状记忆合金设计的热力学为例形状记忆合金的发明和研究追溯到20世纪50年代初，形状记忆效应来源是合金中的马氏体相变。

形状记忆合金管接头在形状记忆合金中的应用中最有成效的一个部分，这种管接头运用在航空领域的输油管道等，其性能非常好，至今还没有发生漏油的事故。

但是要将它运用在人们生活中普通管道的连接上确是有一定的难度，因为形状记忆合金要在液氮左右的温度下才可以保持记忆性扩张状态，在常温下他就恢复到记忆的形状了。

在生活中普通管道的安装中使用保存管接头的装置极其不方便。

所以人们在想办法提高记忆合金的使用温度，即是研究宽滞后记忆合金，以便得到广泛的运用。

科学家已经在这方面做了大量研究，T i N i N b 形状记忆合金已经用热力学研究方法研制成功。

4 材料热力学在材料制备中的应用4.1 低热固相合成传统固相合成反应合成所得物质是热力学稳定产物，而那些介稳的中间产物和动力学控制的产物只有在较低温下才可以存在，他们在高温下分解或重组消失。

为了得到这些介稳的中间产物，扩大材料的选择范围有必要降低固相反应的温度。

降低固相反应的温度，有利于获得更新的物质丰富人力物质财富。

低热固相反应复合当今社会节能减排，减少污染，节约能源的要求。

固相反应的影响因素有结构对反应性的影响，固体的自扩散温度对反应性能的影响，反应温度对低热固相反应的影响，外力作用对固相反应的影响，颗粒尺寸的影响，杂质的影响，固体缺陷的影响，结晶水的影响。

这些都是材料热力学研究的范畴，材料热力学在材料固相合成中的应用。

4.2 热压烧结热压烧结也是材料热力学在材料合成中的应用表现。

热压是指在温度和压力同时作用下，对粉料进行烧结制取制品的过程。

与陶瓷无压烧结相比，热压烧结能降低烧结温度和缩短烧结时间，还可以获得细晶粒的陶瓷材料。

许多陶瓷粉体或素胚在长时间的烧结过程中，导致晶粒异常不均匀生长，恶化陶瓷材料的性能。

在使用热压烧结的时候就可以避免许多这样的问题，获得高质量的陶瓷材料。

热压烧结在烧结固体材料上也取得了巨大成效，现在广泛用于陶瓷、粉末冶金、复合材料以及纳米材料的生产。

4.3 自蔓延合成工艺他是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导来合成材料的一种技术。

当反应一旦被引燃，便会自动向反应未发生的部位传播，直至反应完全。

它是制备无机高温材料的一种新方法。

它的优点有节省时间、充分利用能源、热备工艺简单、产品纯度高、产量高，扩大生产规模简单、在生产时如果施加压力，还可以获得高密度的燃烧产品。

自蔓延工艺的广泛应用给社会生产带来了巨大能效。

5 材料热力学在材料性能与检测中的应用5.1 差热分析与热重分析热分析是测量物质的某一物性与温度之间的关系的分析法统称。

测定物质在升温或降温过程中物理或化学变化的方法有能量测试盒重量测试的方法，差热分析和热重分析就是这两种方法的代表。

差热分析原理是将样品盒参比物置于同等温度条件下，测定温度变化与时间的数据进行作图，从图像就可以得到样品发生物理或化学变化的温度和时间。

因为物质加热过程中出现的一些物理化学变化伴随着质量的变化，热重分析就是将物质放于程序控制的升温或降温系统中，记录质量随温度变化数据进行作图，从图像可以得到相变或发生反应的温度点。

5.2 材料居里点测定居里点是一些铁磁体和铁电体发生铁磁性和顺磁性或者铁电性和顺电性转变的温度，测定居里温度对材料的性质控制和把握有着重大意义。

测定居里点的DTA和DSC方法来测定，该种方法操作简单，试剂用量少，不必制成单晶。

这些物质在转变过程中，有的仅是比热容有微小变化，但多数有明显焓变，在两种曲线上有明显的峰，这个给测量带来许多方便。

只要得到DAT和DSC曲线，曲线上的转折点就是居里点。

5.3以凝胶材料水化过程的研究为例说明差热分析的运用凝胶材料在变成水泥石的水化过程中会生成各种各样的水化产物，不同的水化产物的热过程会有不同的变化，在差热曲线上就会形成特征的吸收峰或放热峰。

水泥石中水化产物的多少决定着差热曲线上的峰谷的大小，因此，差热曲线在研究胶凝材料水化过程和外加剂对水化过程的影响方面有重要意义。

6 结语材料科学是社会革新和发展的动力，同时材料科学也是一门实用的应用科学。

从历史来看人类对材料科学的研究促进了人类社会快速发展，极大提高人类生活水平。

时代发展到今天材料科学对社会而言，更显它的重要性。

今后的社会发展中，材料将扮演更重要的角色，材料的研究将继续处于热门状态。

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