基于声速计算块体材料热容的方法及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及热容技术领域，具体而言，本发明涉及基于声速计算块体材料热容的方法及计算机可读存储介质。

背景技术

热容C

对于功率补偿型的DSC来说，C

ΔT

对于热流型的DSC来说，C

Q

C

此外，激光热导仪也可用于测试C

①为了尽可能减小坩埚的影响，在上述三步测试过程中均需要额外放置一个空坩埚做对比。

②所有的坩埚需要盖好坩埚盖，尽量避免热辐射的影响。

③尽可能使用相同的坩埚测试基线、参比样品和样品的信号。

④由于蓝宝石具有稳定、耐高温等特性，参比样品通常为蓝宝石。

⑤样品质量需尽可能满足C

⑥随着温度升高，温度越高热辐射对基线信号的干扰越严重。因此，坩埚材料应尽可能选择白金坩埚、铝坩埚、石墨坩埚等。半透明的氧化铝坩埚无法屏蔽热辐射的影响，因此不适于作为测量C

但是采用上述DSC比较法，不同批次测试结果相差极大，且测试结果存在较大误差，即使经过标准化测试程序，对于同一样品同一操作人测试，目前商用比较法测C

由于DSC或者LFA测试C

C

C

其中，N

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出基于声速计算块体材料热容的方法及计算机可读存储介质。本发明方法不仅基于晶格振动理论还基于晶格膨胀理论，测得的结果更为合理，数据重复性很好，多次测试的相对标准差在1％左右，测试C

在本发明的一个方面，本发明提出了一种基于声速计算块体材料热容的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)根据公式(100)计算待测样品的热容C

C

其中，C

(2)根据公式(12)计算C

C

其中，N

(3)根据公式(14)计算θ

其中，V

(4)根据公式(15)计算υ

其中，υ

(5)根据公式(16)计算V

其中，V

(6)根据公式(17)计算B

其中，γ表示格林艾森常数，与泊松比v

根据本发明上述实施例的基于声速计算块体材料热容的方法，该方法具有以下优点：1)本发明中的方法数据重复性很好，多次测试的相对标准差在1％左右，现有商用测试方法测试的测试误差较大，即使经过标准化测试程序，对于同一样品同一操作人测试，目前商用比较法测C

另外，根据本发明上述实施例所述的基于声速计算块体材料热容的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，在步骤(6)中，采用C

当C

当C

其中，

对于多晶无择优取向的材料，B

其中，G表示剪切模量，G通过公式(25)计算得到：

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述待测样品的线膨胀系数α通过公式(26)计算得到：

其中，B

在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，纵波声速υ

其中v表示所述待测样品的横波/纵波声速，d表示所述待测样品的厚度，t表示所述待测样品的超声波振荡周期。

在本发明的一些实施例中，通过声速测试装置测得所述待测样品的超声波振荡周期，所述声速测试装置包括超声发生器、超声探头和示波器，所述超声发生器通过数据传输线分别与所述超声探头和所述示波器相连；所述超声探头包括横波探头和纵波探头，分别用于测定横波声速和纵波声速。由此，本发明方法所用仪器组件为超声发生器和超声探头以及示波器，价格相对便宜，而现有的商用测试法为比较法，所用仪器为差示扫描量热仪(DSC)或激光热导仪(LFA)，需要精密的天平和热流测试组件，价格昂贵。

在本发明的一些实施例中，采用所述声速测试装置测试所述待测样品的超声波振荡周期时，在所述待测样品与所述超声探头的界面处涂抹横波/纵波耦合剂。由此，提升了测试信号强度，减小了信号干扰。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述待测样品的样品密度ρ通过X射线衍射方法计算得到、通过阿基米德排水法计算得到或者通过质量体积法计算得到。

在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，所述待测样品的单胞体积通过X射线衍射方法计算得到、通过同步辐射方法计算得到、通过TEM方法计算得到、通过STM方法计算得到、通过晶体学数据库查询得到或者通过第一性原理/分子动力学计算得到。

在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，所述待测样品的单胞的原子数目通过X射线衍射方法计算得到、通过同步辐射方法计算得到、通过TEM方法计算得到、通过STM方法计算得到、通过晶体学数据库查询得到或者通过第一性原理/分子动力学计算得到。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种计算机可读存储介质。根据本发明的实施例，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行上述实施例所述的基于声速计算块体材料热容的方法。

另外，需要说明的是，本发明中针对基于声速计算块体材料热容的方法所描述的全部特征和优点，同样适用于该计算机可读存储介质，在此不再一一赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的声速测试设备的结构示意图。

图2是放置Bi

图3是通过声速测试计算Bi

图4是采用实施例1的方法测量同一Bi

图5是采用实施例1所述方法测量Bi

图6是采用实施例2所述方法重复5次测试同一Bi

图7是采用实施例2所述方法测量Bi

图8是采用实施例3所述方法重复5次测量同一Mg

图9是采用实施例3所述方法测量的Mg

图10是采用对比例1所述方法重复10次测量同一Bi

图11是采用对比例2所述方法重复5次测量同一Bi

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

原理

热容C

C

C

C

其中，N

θ

其中V

υ

V

B

γ表示格林艾森常数，与泊松比v

B

其中C

当C

当C

其中

对于多晶无择优取向的材料而言，B

其中，G表示剪切模量，可通过式(25)计算得到：

α表示线膨胀系数，可由式(26)计算得到：

其中C

需要说明的是，择优取向材料具体是指有一定取向度的多晶材料。这属于材料学科的专业术语。多晶无择优取向的材料是指没有取向度的多晶材料，这属于材料学科的专业术语。

综上，通过下述设备得到测得纵波声速υ

设备

本发明中自行搭建了一套声速测试设备，其结构示意图如图1所示。由图1可知，声速测试设备主要由3部分构成，即超声发生器，超声探头和示波器。超声探头又分为横波探头和纵波探头，分别用于测定横波声速和纵波声速。测试时，将层片状样品放置在超声探头上。为提升测试信号强度减小干扰，在样品与探头的界面处需涂抹一层横波/纵波耦合剂。图2为放置Bi

其中v表示待测样品的横波/纵波声速，d表示待测样品的的厚度，t表示待测样品的超声振荡周期。

由上述搭建的设备可以测得待测样品的横波声速和纵波声速。

本发明除了需要知道声速，还需要知道密度，晶胞体积和晶胞原子个数。密度可以通过XRD计算得到，也可以通过阿基米德排水法得到，也可以通过质量体积法计算得到。晶胞体积和单胞的原子数目通常可以通过XRD得到，也可以通过同步辐射、TEM、STM等手段得到，也可以通过晶体学数据库查询得到，还可以通过第一性原理/分子动力学计算得到。

本发明中的中间参数不仅可以通过声速计算得到，也可以通过其他方式得到。如线膨胀系数既可以通过本发明中的计算得到，也可以通过变温XRD计算晶胞参数得到，还可以通过线膨胀仪得到。

本发明既可以通过声速测试得到晶格振动部分的热容项；也可以得到晶格膨胀部分的热容项。晶格振动部分的热容项相对简单，仅需德拜模型即可得到。德拜模型得到的曲线与本发明的相似，但是在高温时C

本发明适用于块体材料，液体和气体的方法不适用于本发明。

本发明可以用于单晶材料、织构材料、固溶体类材料的C

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

该实施例测试并计算Bi

(1)将Bi

(2)将加工后的圆片放置在纵波/横波探头上，为使探头与样品之间形成良好的接触，应在探头与样品之间涂抹一薄层的纵波/横波耦合剂；

(3)开启超声发生器，调试示波器，可在示波器中观察到周期型的振荡信号，选取n个周期，将n个周期的起始时间标记为t1，终止时间为t2，则单个周期的时间t＝(t2-t1)/2。

(4)根据公式(10)计算得到上述材料的纵波声速v

(5)根据XRD测试结果计算出上述材料的晶胞体积和晶胞原子个数，根据阿基米德排水法测试得到上述材料的密度；

(6)根据上述结果，利用本发明方法的公式(10)-(26)计算出Bi

图4为同一Bi

表1

实施例2

该实施例测试并计算Bi

表2

实施例3

该实施例测试并计算Mg

表3

对比例1

Bi

(1)将Bi

(2)通过天平称取样品的质量，所制备的样品质量为86.11mg

(3)采用商用仪器Netzsch STA449F3测试空坩埚的基线热流信号；

(4)称取蓝宝石标样的质量，并测试蓝宝石标样的热流信号；

(5)测试Bi

(6)通过比较法标准处理程序计算出Bi

图10表示采用本对比例所述方法测试10次同一Bi

对比例2

采用比较法测试Bi

由以上实施例和对比例的测试结果可以看出，本发明中的方法数据重复性很好，多次测试的相对标准差在1％左右，现有比较法测试的误差较大，即使经过标准化测试程序，对于同一样品同一操作人测试，目前商用比较法测C

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。