中科大材料科学课件20热性

第二十章热性（thermalproperties）热容量（capacity）热膨胀（expansion）热导性（conductivity）金属、陶瓷、高分子机制（mechanism）热应力（stress）

三度空间硅元件一公顷：25亿美元（900亿台币）复晶，速率，良率晶片散热：P4：80W/2.2cm2微冷冻器，1W，200W/mm2人脑：25W太空梭隔热

热现象热力学：空气分子冲击速率热水，热空气烧开水、煮蛋、卤肉开瓶盖，微波加热煮饭、烧菜：泥鳅豆腐

热现象不沾锅，复合合金锅（铝、不锈钢），压力锅，真空断热锅长短纤维交织布料隔热板防火材料

热容量（heatcapacity）热容：C=dQ/dT比热（specificheatcapacity）J/kg-K，J/mole-KCv，CpCp>Cv

振动热容量（vibrationalheatcapacity）弹性波，声波声子（phonon）热容量与温度关系低温：Cv=AT3T>ΘD

（Debyetemperature）Cv=25J/mole-K其他现象对热容贡献电子，自由电子低温较显着铁磁材料：电子自旋对齐

热膨胀(lf-l0)/l0=α

l(Tf-T0)Δl/l0=α

lΔTΔV/V0=α

vΔT不等向（anisotropic）

原子间平均距离位能曲线：曲率不对称曲率对称：α=0α随温度增加

金属：5-25x10-6/0CFe-Ni，Fe-Ni-Co：1x10-6/0CKovar（54Fe-29Ni-17Co，5.1）：borosilicate（Pyrex）Invar（64Fe-36Ni，1.6）andSuper-Invar（63Fe-32Ni-5Co，0.72）陶瓷：0.5-15x10-6/0C强键结，除立方晶体与非晶质材料：不等向某些方向膨胀、其他方向收缩无机玻璃：α与成份有关

熔融（fused）SiO2：0.4x10-6/0C高纯度，非晶质、原子堆积密度低长遇温度改变器皿，α低，相对等向否则因陶瓷材料较脆，易致热震撼（thermalshock）

量测热量（Calorimetry）微分扫描量测热量仪（Differentialscanningcalorimeter,DSC）相变化（phasetransformation）奈米温度计（奈米碳管、Ga）

高分子：50-400x10-6/0Cα高：线性或分支高分子二次分子间键：弱键结键结互交（cross-link）少

热导性稳定态热流、热通量q（W/m2）=-k（W/m-K）

dT/dx与F=-DdC/dx相同形式热流方向：自热流向冷处

机制k=kl+kekl

：晶格振动热导ke

：自由电子热导ke/k随ne

增加

纯金属热导与电导均由自由电子决定Wiedemann-Franz定律L=k/(σT)L：2.44x10-8

Ω–W/(K)2

k随杂质浓度增加而降低与电导相似杂质：电子散射中心Cu-Zn：k-T曲线不锈钢：高合金成份，k低不锈钢：1025：铁=15.9:51.9:80

陶瓷：2-50W/m-K自由电子较少主要由声子传导非晶质、缺陷多材料k较低：声子散射较有效率

陶瓷k先随温度增加而降低较高温：红外线辐射热传效率增加k随孔性增加而降低空气：0.02W/m-K，气体对流不佳

高分子：0.3W/m-K连锁性分子振动与旋转晶体热传较好：高度协同连锁性分子振动

高分子绝热体引入小孔隙：聚合时发泡Styrofoam：发泡保丽龙（polystyrene）绝热容器、杯

热应力：温度改变引致应力断裂或塑性变形复合材料：界面热应力SiO2/Si，金属硅化物/Si

受限热膨胀或收缩轴向受限杆状物σ=Eα

l（T0-Tf）=Eα

lΔTT0-Tf<0，σ<0（压应力）T0-Tf>0，σ>0（张应力）

例20.1：brassE=100GPa，σ=-172MPAσ=Eα

l（T0-Tf）α

l=20.0x10-6/0CTf=1060C

由温度梯度影响内部温度分布大小、形状、热导性、温度改变速率温度梯度，尺寸改变差别：热应力

脆性材料热震撼金属、高分子：塑性变形陶瓷：脆性破损快速冷却：外表受张应力，外表瑕疵导致裂缝生成与传播，较易脆性破损

热震撼阻抗（thermalshockresistance，TSR）TSR=σfk/(Eα

l)改变加热速率、温度梯度

改变k：soda-lime玻璃（k=9x10-6/0C）减少CaO-Na2O，加入B2O3（Pyrex，3x10-6/0C）加入孔洞、具延展性第二相退火移除应力

第二十章习题2