材料物理性能-复习资料

第二章材料的热学性能

热容：热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。

不同温度下，物体的热容不一定相同，所以在温度T时物体的热容为：

物理意义：吸收的热量用来使点阵振动能量升高，改变点阵运动状态，或者还有可能产生对外做功；或加剧电子运动。

晶态固体热容的经验定律：

一是元素的热容定律—杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/（K•mol）；

二是化合物的热容定律—奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。

不同材料的热容：

1.金属材料的热容：

由点阵振动和自由电子运动两部分组成，即

式中和分别代表点阵振动和自由电子运动的热容；α和γ分别为点阵振动和自

由电子运动的热容系数。

合金的摩尔热容等于组成的各元素原子热容与其质量百分比的乘积之和，符合奈曼-柯普定律：

式中，n i和c i分别为合金相中元素i的原子数、摩尔热容。

2.无机材料的热容：

（1）对于绝大多数氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值增加到1273K左右的近似于25J/(K·mol)的数值。温度进一步增加，热容基本无变化。（也即它们符合热容定律）

（2）对材料的结构不敏感，但单位体积的热容却与气孔率有关。气孔率越高，热容越小。

相变可分为一级相变和二级相变。一级相变：体积发生突变，有相变潜热，例如，铁的a-r转变、珠光体相变、马氏体转变等；二级相变：无体积发生突变、无相变潜热，它在一定温度范围逐步完成。例如，铁磁顺磁转变、有序-无序转变等，它们的焓无突变，仅在靠近转变点的狭窄温度区间内有明显增大，导致热容的急剧增大，达转变点时，焓达最大值。

3.高分子材料热容：

高聚物多为部分结晶或无定形结构，热容不一定符合理论式。一般，高聚物的比热容比金属和无机材料大，高分子材料的比热容由化学结构决定，它存在链段、链节、侧基等，当温度升高时，链段振动加剧，而高聚物是长链，使之改变运动状态较困难，因而，需提供更多的能量。

传导机制

（1）金属中热传导是以自由电子导热为主，合金热传导以自由电子导热和声子导热为主；金属材料的热导

率很大。

（2）对于晶体的无机非金属，热传导主要是靠点阵振动，即声子导热为主，约为金属热传导的三十分之一。（3）高聚物的热传导以链段运动传热为主，而高分子链段运动比较困难，所以，其导热能力较差。

晶体中存在的各种缺陷和杂质会导致声子的散射，降低声子的平均自由程，使热导率变小。固溶体的形成同样也降低热导率，而且溶质元素的质量和大小与溶剂元素相差愈大，取代后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。热阻：材料对热传导的阻碍能力。理想晶体中的热阻也即声子与声子的碰撞。

热膨胀本质：原子间相互作用，位能曲伸不对称。温度升高，振动加剧，振动中心发生变化（右移），原子间距增大，材料产生热膨胀。

线膨胀系数与熔点的关系有一个经验表达式：

因此，固态晶体的熔点愈高，晶体原子间结合力增大，其膨胀系数就愈低。

高分子材料的热稳定性

提高高分子的耐热性：（1）增加高分子链的刚性（分子链带上庞大的侧基，增加主链共轭双键，减少单链），（2）提高聚物结晶能力（提高链的规整度和对成性），（3）进行交联，增加分子链间化学键，阻碍分子链运动。无机材料的热稳定性

提高抗热冲击断裂性能的措施（主要针对陶瓷，玻璃等）：①提高材料强度σ，减小弹性模量 E，使σ/E 提高。②提高材料的热导率λ，使R'提高。③减小材料的热膨胀系数α。也即产生的热应力小。④减小表面热传递系数h。⑤减小产品的有效厚度r m。

热差分析：是在程序控制温度下，将被测材料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温差(ΔT)随温度(T)时间(t)的变化关系。

参比物要求：应为热惰性物质，即在整个测试的温度范围内它本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质产生化学反应同时参比物的比热容，热传导系数等应尽量与试样接近。

第三章材料的光学性能

一、光在介质中的传播速度比真空慢的原因

当光的电磁场作用到介质上时，介质的原子受到外加电场的作用而极化，正电荷沿着电场方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发生相对位移。外电场越强，原子正负电荷中心距离越大。由于这种光波电磁场和介质原子的电子体系的相互作用而产生的极化，“拖住”了电磁波的步伐，使光波的传播速度减少。

二、光的反射：指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。

影响因素：在垂直入射的情况下，光在界面上反射的多少取决于两种介质的相对折射率n21，如果n1和n2相差很大，那么界面反射损失就严重。如果n1等于n2，几乎没有反射损失。

由许多块玻璃组成透镜系统。反射损失更可观。为了减小这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相

对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。

三、双折射现象、常光折射和非常光折射的概念

当光通过除立方晶体以外的其他品型介质时，一般都要分为振动方向和互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别形成两条折射光线，这个现象称为双折射。

双折射光线中，平行于人射面的光线的折射率，称为常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。

另一条与之垂直的光线所构成的折射率、则随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率n e，它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。

四、选择吸收：同一物质对各种波长的光吸收程度不一样，有的波长的光吸收系数可以非常大，而对另一波长

的吸收系数又可以非常小。

均匀吸收：介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同。

金属材料、半导体、电介质产生吸收峰的原因

（1）金属对光能吸收很强烈，这是因为金属的价电子

处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导

带即能发生碰撞而发热。（2）半导体的禁带比较窄，吸

收可见光的能量就足以跃迁。（3）电介质的禁带宽，可

见光的能量不足以使它跃迁，所以可见光区没有吸收

峰。紫外光区能量高于禁带宽度，可以使电介质发生跃

迁，从而出现吸收峰。电介质在红外区也有一个吸收峰，

这是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。

五、散射：材料中如果有光学性能不均匀的结构，例如含有透明小粒子，光性能不同的晶界相、气孔或其他夹杂

物，都会引起一部分光束偏离原来的传播方向而向四面八方散开来。

折射：当光依次通过两种不同介质时，光的行进方向要发生改变，这种现象称为折射。

弹性散射：光的波长(或光子能量)在散射前后不发生变化的，称为弹性散射。

非弹性散射：当光束通过介质时，人射光子与介质发生非弹性碰撞，使散射光的波长(或频率)发生改变，这种散射称为非弹性散射。与弹性散射相比，非弹性散射通常要弱几个数量级，常常被忽略。六、红移、蓝移原因

（1）从能量的角度看，可以用简单的能级跃迁图来说明。图a表示瑞利散射过程，图b可表示红移过程，图c表示蓝移过程。