材料的热学性能及试验概述

2018-08-22 13:27:58 作者：本网整理来源：材易通分享至：

本文将从材料的热容、热膨胀、热传导、热扩散、热辐射、热稳定性等方面对材料的热学性能进行描述。

1 材料的热容量

1.1 概述

热容量（C）是是指在不发生相变和化学反应时，材料温度降低或升高1K时所需要的热量（Q）。

C = dQ/dT

热容量与材料的量有关。单位质量的热容叫比热容，单位J/（kg·K），1mol物质的热容量称为物质的摩尔热容量（moolar heat capacity），单位J/（mol·K）。

热容量与过程有关，定压过程和定容过程是最主要的过程。如果加热（或降温）过程中体积不变，物体温度升高（或降低）1K所吸收的热量称为定容热容量（Cv）；如果加热（或降温）过程中压力不变，物体温度升高（或降低）1K所吸收的热量称为定压热容量（Cp）。

对于处于凝聚态的材料，Cv和Cp两者差别较小，试验中只能测定定压热容量。在高温时，二者相差较大。

热容量是结构不敏感性能，与材料的结构关系不大，具有加和性，但当有相变发生时，热容会发生突变。

当温度远高于德拜温度（θD）时，固体的热容遵循经典规律，即符合杜隆一珀替（Dulong-Petit）定律，是一个与构成固体的物质无关的常量，即Cv=3R（Cv为定容比热）。反之，当温度远低于德拜温度时，热容将遵循量子规律，而与热力学温度的三次方成正比，随着温度接近绝对零度而迅速趋近于零，后一结论又称为德拜定律。

热容随温度变化曲线（θD—德拜温度）

金属中存在大量的自由电子，使得金属的热容随温度变化的曲线不同于其他键合晶体材料。对简单的由离子键和共价键组成的陶瓷材料，其热容与温度的辨析更符合德拜模型，但不同材料的德拜温度θD不同。

比热容（specific heat capacity, c）是单位质量的热容量，即单位质量的物质温度升高（或降低）1K可吸收的热量。比热容的单位是复合单位J/（kg·K）。

根据科珀-奈曼（Kopp-Neumann）定律，即化合物的比热容等于组成元素的比热容的总和，合金的比热容等于每个组分元素的原子热容和重量百分比乘积的综合。

晶体中格波示意图

（材料的各种热学性能均与晶格热振动有关，晶格振动以弹性波的形式在材料内传播）

1.2 比热容的测量方法

比热容的测量方法是测试比热容的实验技术。比热容分为平均比热容和微分比热容（真实比热容）。平均比热容是指单位物质在T1到T2温度范围内温度升高1K所需要的热量；微分比热容是单位物质在给定的温度T时升高1K所需要的热量。

比热容的测量结果常与美国国家标准技术研究院（https://www.nist.gov）公布的参考值进行对比。

比热容测量方法比较

1.2.1 绝热量热计法

绝热量热计法是将封闭在一个绝热环境中的试样直接通电加热，通过记录所加电能、试样温度增加量及试样的质量而计算材料微分比热容。

适用的温度范围：4.2~1900K。

精度：低温区域内误差不超过0.5%~1.2%，超过100K误差增加，高温时为2%~5%。

绝热量热计分为梁总：1）等温热屏量热计，2）绝热屏量热计。

方法：（1）连续加热法，在全部试验过程中对试样一直进行电加热，并控制使热屏与试样的温度始终保持一致；（2）周期加热法，在没有进行电加热时，使样品与热屏温度处于平衡状态，在限定时间内通电加热使试样有很小的升温。

注意事项：（1）准确测量比热容的关键是防止样品铜周围环境发生热交换，应采用系统抽空除气和样品外围安装辐射屏蔽的办法，以防止试样与环境的对流、传导和辐射交换；（2）调节并控制热屏的温度跟踪试样的温度，使两者的温度始终保持一致，保证试样与周围环境没有热交换；（3）在低温下试验可根据不同需要采用不同的恒温浴的介质，如液氦、液氢、液氨、干冰或酒精等。

绝热量热仪总体结构示意图