高等材料性能学思维导图
热学性能的物理基础，材料的热学性能等内容讲解
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思维导图大纲
高等材料性能学思维导图模板大纲
第一章
热学性能的物理基础
晶格热振动
点阵中的质点（原子、离子）总是围绕其平衡位置作微小的振动
简谐振动和谐振方程
物体受力与偏离平衡位置的位移大小成正比，方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动叫简谐振动。x=Acos(2*π*t/T+φ)
物体的热量
温度高时动能加大，热振动的振幅和频率都增大，各质点热运动的动能总和为该物体的热量。
热振动的频率特性
弹性波
当某处物质粒子离开平衡位置，发生应变，其粒子会在弹性力的作用下发生振动，同时又引起周围粒子的应变和振动。
声频支振动
振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的位相差不大，格波类似于弹性体中的应变波。
可以看成是相邻原子具有相同的振动方向、频率较低的振动。
光频支振动
格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区。
可以看成是相邻原子具有相反的振动方向、频率很高的振动。
材料的热学性能
定义与应用
热容
热容的概念与分类
热容
比热容
摩尔热容
平均比热容
恒压比热容
恒容比热容
定容热容与定压热容
热容的理论
杜隆-珀蒂定律
柯普定律
热容的量子理论
由于1mol固体中有N个原子，把每个原子的振动看成是在三维方向上的独立振动的叠加，每个原子的热振动的自由度是3，因此1mol固体的振动可看成是3N个振动的合成振动，则1mol固体的平均能量为：
普朗克理论
爱因斯坦模型
三维量子谐振子能量量子化， 在一定温度下，由N个原子组成的晶体的总振动能为：
德拜模型
修正了原子是独立谐振子的概念，考虑了晶格的集体振动模式，假设晶体是各向同性的连续弹性介质，原子的热运动以弹性波的形式发生--声频支振动。
影响热容的因素
固体材料
热容与材料的组织结构关系不大。
聚合物材料分子量大，相比其他类型材料热容高。
绝大多数氧化物、碳化物的热容都从低温时的一个 低值增加到1273K左右的近似于3R，且保持不变。
相变
相变时热容出现突变，主要是因为热量发生了不连续变化，所以相变发生了突变。
一级相变：热容为无限大。
二级相变：热容急剧增大，至Tc时，焓达到 最大值，热容为有限极大值。
不可逆转变：如回火转变，伴随转变产生的热 效应是不可逆的。
热容的测量与分析
测量方法
测量原理：通过电热功的测量，换算出比热容
热分析方法
差热分析
差示扫描分析
热重分析
热膨胀
热膨胀系数
物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀，物体的伸长与温度关系之间的比例系数称为膨胀系数。通常用热膨胀系数来表征材料的热膨胀性能。
热膨胀的机理
微观机制
势能曲线
晶格振动
热膨胀与其他性能的关系
热膨胀与热容的关系
热膨胀与结合能、熔点的关系
影响热膨胀系数的因素
材料键强度越高，热膨胀系数越小
晶体结构越紧密，热膨胀系数越大
化学组成
组成合金的溶质元素对合金热膨胀有明显影响。
材料发生相变时热膨胀系数也变化
热膨胀系数的测量
望远镜直读法
顶杆式间接法
金属线膨胀系数测量
热传导
材料的热传导及热导率
傅里叶定律：固体材料的两端存在温度差时，对于各向同性的物质存在下列关系式：
λ——热导率（导热系数），在一定的温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位W/m.K(J/m.s.K). 负号表示传递的热量ΔQ与温度梯度具有相反的符号。
热传导的微观机理
声子热导
光子热导
影响热传导性能的因素
对于晶体材料，热导率随温度的上升而下降。
多晶体 热导率总是比单晶体小。
组成元素的原子量愈小，其热导率愈大； 轻元素的固体或结合能大的固体热导率较大金属的热导率比合金高。
复相材料的热导率
气孔的热导率很小，与固体的热导率相比可近似看做零，公式：
导热系数的测量及应用
测量方法
应用实例
热稳定性
定义
又称抗热震性，是材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不破坏的能力。
热冲击损坏类型
抗热冲击断裂性
抗热冲击损伤性
热应力
材料在未改变外力作用状态时，仅因热冲击而在材料内部产生的内应力即是热应力。
热稳定性的表示方法
测试方法
评价标准
提高抗热冲击断裂性能的措施
材料改性
结构设计
工艺改进
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