第16章：硅酸盐材料的物理性质(热学)

补充知识点：无机材料的热传导 补充知识点：
定义
稳定状态下
λ——即为导热系数，显然其物理含义是： 即为导热系数，显然其物理含义是： 即为导热系数 单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。 单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。
固体材料热传导的微观机理
气体中：可由分子的自由运动而传热； 气体中：可由分子的自由运动而传热； 金属中：则可由大量的自由电子的运动而传热； 金属中：则可由大量的自由电子的运动而传热； 无机非金属材料中：以什么样的机理传热？ 无机非金属材料中：以什么样的机理传热？
讨论多相硅酸盐材料的热传导系数 考虑最简单情况：两种片状晶相交错排列的复合材料， 考虑最简单情况 ： 两种片状晶相交错排列的复合材料 ， 热传导系数 km 与两种晶相的热传导系数 k1，k2 及热流方向 相关，对于多相晶总热传导系数与分相的关系为： 相关，对于多相晶总热传导系数与分相的关系为： 热流平行片状平面方向流动： 平行片状平面方向流动 热流平行片状平面方向流动： 总热传导系数： 总热传导系数： km = v1k1 + v2k2 v1 和 v2 是各组分晶相的体积权重； 是各组分晶相的体积权重； 热流沿垂直片状方向传导：总热传导系数的倒数为： 热流沿垂直片状方向传导：总热传导系数的倒数为： 垂直片状方向传导
无机非金属材料中，主要是格波传热 格波传热。 无机非金属材料中，主要是格波传热。 格波分：声频支与光频支， 格波分：声频支与光频支， 所起的作用是不同的 它们在传热过程中所起的作用是不同的。 它们在传热过程中所起的作用是不同的。
声子和声子导热
声子 光子 声频波的量子 光频波的量子
格波的传播，看成是：质点 声子的运动； 格波的传播，看成是：质点——声子的运动； 声子的运动 格波与物质的相互作用，则理解为：声子和物质的碰撞； 格波与物质的相互作用，则理解为：声子和物质的碰撞； 格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为： 格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为：声子同晶体质点的 碰撞； 碰撞； 理想晶体中的热阻，则理解为：声子与声子的碰撞。 理想晶体中的热阻，则理解为：声子与声子的碰撞。 晶体中，热传导的实质：就是碰撞。 晶体中，热传导的实质：就是碰撞。
硅酸盐材料的电学性质
另一种是含硫族化合物玻璃 可单独由硫、 另一种是含硫族化合物玻璃；可单独由硫、硒、和碲组成 是含硫族化合物玻璃； 玻璃，也可和磷、 锑和铋组成玻璃； 玻璃，也可和磷、砷、锑和铋组成玻璃；
电导率与温度的关系
电 前一种电阻率由氧化物浓度决定， 前一种电阻率由氧化物浓度决定， 导 率 后一种则具电导对杂质不敏感。 后一种则具电导对杂质不敏感。 /s·cm-1
硅酸盐材料的电学性质
Fe3+ / (Fe 总) 对含 55% FeO-45% P2O5 玻璃电阻率的影响
磷酸盐玻璃， 尽管存在第三组分， 如 磷酸盐玻璃 ， 尽管存在第三组分 ， 只 比值处在0.4~0.6， 要其中 Fe3+/(Fe2++Fe3+) 比值处在 ， 电阻有一个最低值， 电阻有一个最低值 ， 并且反映出电导率 性质从 P 型 N 型的变化，如图示。 型的变化，如图示。
Cv 单位体积中声子的比热；v 声子运动的速度（晶体内 单位体积中声子的比热； 声子运动的速度（ 传播声速） 即气体分子速度； 声子平均自由程； 传播声速），即气体分子速度； λ 声子平均自由程； 热传导系数主要由自由程大小决定， 热传导系数主要由自由程大小决定， 自由程大小决定 自由程大小取决于声子碰撞或散射。 自由程大小取决于声子碰撞或散射。 碰撞或散射
线膨胀系数与体膨胀系数的关系: 线膨胀系数与体膨胀系数的关系
线 膨 胀 系 数
无 机 材 料 的 热 膨 胀
某些无机材料热膨胀系数与温度的关系
(2)、热传导、热传导理论 、热传导、
dQ/dt = (kS)dT/dx k 为热传导系数。为单位温度梯度条件下，单位时间内通过横 热传导系数。为单位温度梯度条件下， 截面的热量，反映了物质传导热量的难易程度，倒数为——热 截面的热量，反映了物质传导热量的难易程度，倒数为 热 固体传导系数是晶格和电子引起传导的总和： 阻。 固体传导系数是晶格和电子引起传导的总和：k=kt+ke。 导致硅酸盐材料和金属的热传导的差异为： 导致硅酸盐材料和金属的热传导的差异为： ① 硅酸盐材料只有数量极小的电子，k≈kt（晶格）； 硅酸盐材料只有数量极小的电子， 晶格） 硅酸盐材料的晶相，大部分对辐射热有透过性， ② 硅酸盐材料的晶相，大部分对辐射热有透过性，高温 时特别显著。 时特别显著。
热传导机制：物质两端由于温度环境不同， 热传导机制 ： 物质两端由于温度环境不同 ， 热会从高温 端向低温端传递，最后形成一个温度场。 端向低温端传递，最后形成一个温度场。 热传递物理原因： 热传递物理原因： 1、高温端的电子能量较高、声子数目多且密； 、高温端的电子能量较高、声子数目多且密； 2、低温端的电子能量较低、声子数目少且稀； 、低温端的电子能量较低、声子数目少且稀； 3、发生各种碰撞和散射而产生热传递。 、发生各种碰撞和散射而产生热传递。
2)、玻璃半导体 、
有几种： 有几种： 一种是含有变价过渡金属 一种 是含有变价过渡金属 是含有 离子氧化物玻璃，如钒、 离子氧化物玻璃，如钒、钴、 镍等氧化物的磷酸盐、 镍等氧化物的磷酸盐、硼酸盐 或硅酸盐玻璃， 或硅酸盐玻璃， 电子电导率与温度的关系 和晶体材料相同； 和晶体材料相同； 随过渡族金属氧化物浓度 增加电导率也增加； 增加电导率也增加； 浓度高： 浓度高： 玻璃内过渡金属 离子间的距离可达到相邻程度， 离子间的距离可达到相邻程度， 出现电导率和过渡金属离子价 态关系十分密切的现象。 态关系十分密切的现象。
InSb
Te Ge Se
晶体半导体中， 晶体半导体中， 极微小的杂质存在， 极微小的杂质存在， 引起电导很大的变化， 引起电导很大的变化， 及载流型的变化。 及载流型的变化。
As2Se3
╳
103T-1/K
各种无定形半导体的 电导率是 1/T 的函数
硅酸盐材料的电学性质
3)、硅酸盐材料的介电性质 、
③ 晶界对声子的散射 前两种散射随温度降低而减小， 前两种散射随温度降低而减小，导致声子平均自由程 增大； 增大； 增大到晶粒大小时，不可能再增大，声子平均自由程 增大到晶粒大小时，不可能再增大， 为常数； 为常数； 成反比，考虑比热， 说明这种散射和晶粒大小 d 成反比，考虑比热，这种 成正比。 热阻和 (dT 3)-1 成正比。
对于多晶采用平均系数表示， 的线膨胀系数。 对于多晶采用平均系数表示，αr 为晶相 i 的线膨胀系数。
1 ∆L ;α r α= L0 ∆t
∑α χ W / ρ = ∑χW /ρ
i i i i i i i i
i
体积膨胀系数
固体在发生的相对体积的变化， 温度改变 ∆t 时，固体在发生的相对体积的变化，对于多 晶采用平均系数表示， 晶采用平均系数表示，
第16章：硅酸盐材料的物理性质 章
本章要点 1、硅酸盐材料的热学性质 、 2、硅酸盐材料的电磁性质 、 3、硅酸盐材料的力学性质 、
1、硅酸盐材料的热学性质 、
(1)、热膨胀 、 线膨胀系数
温度改变 ∆t 时，固体在一定方向上发生的相对长度的变 化
∆L ∆V 称线膨胀系数 α，体积变化 称体积膨胀系数 β， L0 V0
1 ∆V β= ; βr βr 为晶相 i 的体膨胀系数， V0 ∆t 体膨胀系数，
∑β χW / ρ = ∑χW /ρ
i i i i i i i i
i
χi 是晶相 i 的体积弹性率 ，亦称体积模数， 亦称体积模数 体积模数，
Wi 为晶相 i 的质量权重，ρ 为晶相 i 的密度： 质量权重， 密度：
V t I = exp(− ) R RC R外电路电阻 C电介质电容器的电容 V 加于电容器两端的电压
硅酸盐材料的电学性质
纳钙硅酸盐玻璃在充电和放电时的吸收电流随时间的变化 纳钙硅酸盐玻璃在充电和放电时的吸收电流随时间的变化 充电 见下图。 见下图。 引起介电损耗的原因，从电解质机制上讲有三种： 引起介电损耗的原因，从电解质机制上讲有三种： 传导损耗； ① 传导损耗； 偶极子松弛损耗或离子跃迁损耗； ② 偶极子松弛损耗或离子跃迁损耗； 离子变形和振动损耗。 ③ 离子变形和振动损耗。 由于在垂直 C 轴方向是 很好的绝缘体，常用做电介质 很好的绝缘体， 填充于电容器中。 填充于电容器中。 介电损耗的品质 Q 值 介电损耗的品质 与温度和频率相关。 温度和频率相关。 相关
2)、硅酸盐材料的热传导 、
硅酸盐中材料中只有极小量的自由电子， 热传导主要通过声 硅酸盐中材料中只有极小量的自由电子，热传导主要通过声 极小量的自由电子 来进行，声子的热传导系数主要由平均自由程 平均自由程的大小来决 子来进行 ，声子的热传导系数主要由平均自由程的大小来决 定。
1 热传导系数： 热传导系数： k = Cv vλ 3
④ 位错引起声子的散射 位错附近有应力场存在， 引起声子散射， 位错附近有应力场存在 ， 引起声子散射 ， 造成热阻和 T-2 成正比； 成正比； 可见：前两种散射引起热阻值随温度升高而增大； 可见：前两种散射引起热阻值随温度升高而增大； 后两种相反，低温时起主导作用。 后两种相反，低温时起主导作用。
② 点缺陷对声子的散射 存在杂质原子、同位素原子等缺陷，可使声子散射， 存在杂质原子、同位素原子等缺陷，可使声子散射， 散射强弱和点缺陷大小及声子波长相对大小有关； 散射强弱和点缺陷大小及声子波长相对大小有关； 低温时：大部分声子波长比点缺陷的大得多，点缺陷 低温时：大部分声子波长比点缺陷的大得多， 成正比； 引起声子散射造成热阻与温度 T 3/2 成正比； 高温时：声子的波长和点缺陷大小近似，比热为常量， 高温时：声子的波长和点缺陷大小近似，比热为常量， 点缺陷引起的热阻与温度无关。 点缺陷引起的热阻与温度无关。
1 v1 v2 v3 = + + + ... k k1 k 2 k3
16.2、硅酸盐的电磁性质 、
1)、石英材料的电导性质 、
各向异性： 各向异性：
有一维通道，由于杂质离子而发生离子电导； 平行 C 轴，有一维通道，由于杂质离子而发生离子电导； 是很好的绝缘体； 垂直 C 轴，是很好的绝缘体； 易发生电解质性质的电导， 平行 C 轴，易发生电解质性质的电导，由结构中原有的杂质 离子或故意引入的外来离子产生。 离子或故意引入的外来离子产生。
硅酸盐材料在电学中常用于电容器内的电介质及电的绝缘 材料，在电压很高时穿过电流也不大，这种电流称——传导残 材料，在电压很高时穿过电流也不大，这种电流称 传导残 余电流； 余电流； 实际，当对硅酸盐电介质电容器施加电压时，由于： 实际，当对硅酸盐电介质电容器施加电压时，由于： 电子极化、 电子极化、 离子极化， 离子极化， 引起一定大小位移电流， 引起一定大小位移电流， 电流随时间变化： 电流随时间变化：
在影响热传导的声子的散射主要有以下四种情况： 在影响热传导的声子的散射主要有以下四种情况： ① 热阻碰撞过程 以声子传播为热传导机制。 以声子传播为热传导机制。 两热传导声子的相互作用，激发出的新声子之间可能动 两热传导声子的相互作用， 量方向相反，而发生的碰撞称——热阻碰撞； 量方向相反，而发生的碰撞称 热阻碰撞； 热阻碰撞 声子碰撞散射产生的热阻是晶体中热阻的主要来源。 声子碰撞散射产生的热阻是晶体中热阻的主要来源。 主要来源
声子和声子导热
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微观机理
声子的平均自由程： 声子的平均自由程：
1. 声子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减少 声子间会产生碰撞， 2. 晶体中的各种缺陷、杂质以及晶格界面都会引起格 晶体中的各种缺陷、 波的散射， 波的散射，也等效于声子的平均自由程减小 3. 平均自由程还与声子振动频率有关 4. 平均自由程还与温度有关
电 流 放电曲线 时间/s
纳钙硅酸盐玻璃在充电和放电时的吸收电流
充电曲线
16.3硅酸盐材料的力学性质 硅酸盐材料的力学性质