热物性学

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1、郡缪砂 林? ? 珍 沪 热物性学 奚同庚 ?中国科学院上海硅酸盐研究所? 一 、 引言 众所周知 , 热学是一?非常古老的科学 ? 人类对物质热 物理性质的认识和研究同样也有 着悠久的 历史 ? 早在? ?年 , 富兰克林? ? ? ? ? 就提 出了不 同物质具有不 同接收和发散热 量能力的概 念, ? ? ? 年 , 福代斯 ? ? ?即?进 行了生铁 和纸板导热性能的对比试 验? ? ? 年 , 英根? ? ? ? ? 和豪斯? ? ? 首 次建成了 测量 固体导热系数 的稳态比较法实验装置 ? 人 类对其他热物理性质的研究 , 例如物质的热膨 胀性能的测试 , 同样也可追溯到十八世纪

2、 ? 随着现代科学 技术的发展 , 特别是五 十年 代空间技术的推 动 , 以及七十年代能源危机出 现后能 源科学技术迅速发展 的迫 切需要 , 人们 ? 对 热物理性质的研 究和 测试 , 无论在广度 上还 是在 深度上都取得了重大进展 ? 于是 , 一 门以 研究和测试物质的宏观热物理 性质 , 探索宏观 热物理性质 与物 质微观结构之间联系 的崭 新学 科分支热物 性学逐渐 形成 ? 现在 , 热 物性 学的科学 内涵日臻丰富 , 已形成自己比较完整 的学科体系? ? ? 如果说 , 在科学史上某些科学发 现 , 甚 至重 要理论的创建 , 诸如德拜 和爱因斯坦比热理论 以及威德曼 一弗

3、朗兹? ? ? ? ? 刃? ? ? 定律等 都与热物理性质 的研究和测试有关 , 那么 , 在 科学技术各 学科相互交 叉空前频繁 的今天 , 热 物性学 与能源科学 、 材料科学 、 空间技 术 、 核 能技术 、 计算机技术等许多重大科技领域的关 系就更为密 切 , 所发挥的作用也更大了 ? 下 面我们不妨以计算机技术作为实例 , 来 具体考察一 下热物性学研究的重要作用 ? 随着 ? 超大规模集成 电路容量和密集度 的迅速增大 , 集成 块现 用的衬底材料的导热性能已很难满足 散热的需要 , 以致集成块温度升 高 , 热噪声增 大 , 从而成了集成块正常工作和 进一 步密集化 的严重

4、障碍 ? 要解决这个有人称之为计算机的 “热障” 间题 , 当然是非常棘手的 , 因为衬底材 料既 要求电绝缘又要求高导热 ? 显 然 , 一般的 金属 和非金属材料都难以同时满足这两个看来 是矛 盾的性能要求 ? 不久前 , 日本以研 究节能 型发 动机著称的日立研究所宣布了一个惊人消 息 ? 他们已发 明了一 种高导热性的特种碳化硅 陶瓷 , 它的导热系数竟比一般碳化硅高一个量 级以上 , 比现用 的衬底材料氧化铝高? ?倍 , 已 超过 金属铝 , 接 近银的导热性能 , 它的热膨胀 性能又与半导体 硅相匹配 , 能 防止热应力 引起 的硅剥离 ? 这个成 果轰动了科 技界 , 因为它

5、突 破了大规模集成电路发展 的一大障碍 , 甚至惊 呼这将给日美之间电子计算机技术研制的竞争 带来新的影响 ? 很显然 , 这一重大技术突破 正 是材料科学 和热物性学研究 相互交 叉共同贡献 的产物 ? 至于热物性学对能源技术所起 的推动作用 的实例 更是 不胜枚举了 ? 诸如 , 有重大节能效 益的远红外加热技术就利用了物质表面的热辐 射性质 , 隔热技术优化设计的关键参数 是导热 系数和比热 , 大阳能热 利用中集热 器和贮热器 的热效 率几乎与所有 热物理性质直 接有关? ? ? 热过程是物质世 界普遍存在 的一个物理 过 程 ? 热物性数据不 仅是衡量材料能否适应具体 热过程 工作需

6、要的数量依据 , 而 且是对特定热 过程 进行基础研究 、 分析计算和工程热设 计的 关键参数 ”?, 它还是认识 、 了解 和评 价物质的 ? 卷?期 喃要 余 志 攀一撼 荆街 ? 表 ? 热物性学的研究范畴简表 验 法实方 ?,?热物性测试方法和装置的研究 ? 方法的物理模型和测试原理 的研究 ? 热的运动 热的传递 热的转换 二 一? 热的测量 电的测量 光的测量 温度测量 时间测量 长度测量 质量称量 数据 和装 的分析整理和误差分析 , 制定不同级别的标准 置 , 标准试样的研究和确定 ?固体和流体介质在不同状态下的变化规律和影响因素的研究弓 气孔率 气孔尺寸 气孔排列取向 气孔连

7、通性 气孔气氛 月厂 ,? ? ? 度度孔力氛 重 温 压 气气湿容 其他物性 厂 ? ? 月 ? ? 七 分构 组 结 学 化体 晶 ? , 七 尹 ? ? ?,了 、 ? 执一物性学 ? ? ? !七 织组 微 显 ?宏观热物性与微观结构 、 化学组分 、 工艺因素关系的研究 晶系 晶态或非晶态 多晶或单晶 相变 晶化 晶界状态 晶粒尺寸 晶粒取向 缺陷 气孔 微裂纹 ?工艺因素 “ 热物性机一 ? 分子 电子 声子 光子 物理模型 的运动 、 碰撞规律的研究嘴理论预测和计算 吸 ?经验方程 、?。热物性数据库的建立和应用研究 ? ? 数据的搜集和整理 数据的综合分析 数据判断和归纳 数据

8、的优化和优选 数据推荐 值的确定 最基本的物理性质之一 因此 , 就上述意义而 言 , 热物性学还带有明显的基础科学的特点 ? 综上所述 , 开展和加强热物性 学的研究 , 不仅有着明显的科学意义 , 而且在 工程上 也有 着十分重要的应用价值 ? 因此 , 第七届欧 洲热 物性会议主席 曾说 , 对热物性的重视 程度是与 确多余志 ? 卷?期 工业和科学技术发展的水平成正比的 ? 二 、 热物性学 的研究范畴 物质?包括固体材料和流体介质?的热物理 性质 , 按 照美国普渡大学热物理性质研究中心 ? ?的划分 , 主要包括表征导热能力 的导 自旗杂今 ? ? 热系数入 、 表征均温能力的导温

9、系 数 ? 、 比热 容量? 、 热膨胀 系数 ? 、 热发射率 。 和粘度 ” 等? ? ? 从广义上来说 , 一 也有人把熔点 、 温度和 热电性质等列入热物理性质的范畴 ? 热物性学的主要研究内容通常包括如表 ? 所示的五个方面 ? 其中 , 从物质微观结构出发 , 以量子力 学和统计力 学为基础探索宏观热物理 性质的有效计算方法 , 也被归之于力学的一个 新兴分支物理力学 ? 它研 究能预测并最终 “设 计 ” 出满足所需热物理性质 和力学性质的材 料 ? 然而 对于非金属材料 , 特别是非晶体材料 , 由于问题 的复杂性至今还未能精确 地进行具体 的计算 , 热物性基本上仍须依靠直接

10、的实验测 定? ? ? 从表?可以清楚看出 , 热物性学研 究的内 容相 当丰富 , 它与许多学科相互交叉或者 有着 横向联系 ? 三 、 热物性学的研究现状和发展动 向 如上所述 , 由于热物性学在科学技术发展 中的作用日益增大 , 因此许多工业和科技发达 的国家都先后建 立了有关热物 性学专门的或以 其为主要内容的测试中心或研究机构 ? 其中在 国际上有较大影 响的有美 国普 渡大学的 热物 理 性质 研究 中心? ? ? 、 苏联的高温热物理研 究所 ? ? ? ? 、 美国国家标准局? ?的有关实 验室和联德邦国物 理技术研究院? ? ?的热学 处等等 ? 与此同时 , 为了提高热物性

11、数据测试的准 确度 , 统一并仲裁有争议的热物性测 试方法 、 装置 和数据 , 许多国家都相继建立 了本国的热 物性测试方法 、 装置的国家标准和工 业标准 , 如美国的? 、 日本的? ? 、 联邦 德国的 ?和苏联的? ? ? 等 ? 此外 , 还有国际上的 标准如? ? ? ? 国际上有关机构还组织各国 对 同 一样品进行 热物性数据的互校或对测 ? 总之 , 热物理性质的标准化研究工作近十多年来有了 很大进展 ? 例 如 , 据? ? ?年统计的资料 , 联邦 德国已分别制定了六项导热系数和六项热膨胀 系数的标准 ? 随着热物性学研究的深入 和广泛开展 , 国 际学术交流日趋活跃 和

12、频繁 ? 目前 , 已有四个 定期举行的热物性研究和测试 的国际 学 术 会 议 , 即国际热物性会议? ? 、 国际导 热系数 会议? ? ? ? 、 国际热膨胀 系数会议? ? ?和 欧洲热物性会议? ? ? 由于热物性数据的重要性和热物性数据对 各种因素非常敏感而引起的多样性 , 以及为了 避免测 试工作不必要的重复 , 一 些国家正在系 统搜 集 、 科学整理和大 量积累 国际上已经测定 的浩瀚的热物性数据 , 从而建立 自己的计算机 热物性数据库 ? 在这一方面美国的热物性资料 和数据的分析综合中心? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

13、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?的工作卓有成效 , 是目前 国际 上公认的最权威的热物性数据库中心 ? 该 中心 从全世界范围内搜集热物性数据 , 并 把固体 ?金属和非金属?和流体?气体和液体?介质的入 、 马 、 ? 、 。、 。 和 林六个热物性 , 分门别 类地汇 编成一套共 十三 册的热物性数据手册 , 字数共 约一千万 , 迄 今为止它可算是世界上最 完整的 热物性数据 手册了 ? 热物性数据因物质和所处的状态不 同而千 差万别 , 目前已建立 了分 别适用于不 同温度 、 不 同物质的各种测试方法和装置 , 测试的温度 范围已扩大到从接近绝对零度到? ?左右 ?

14、以导热系数的测试方法为例 , 从它两大类的测 试方法稳态法和非稳态法中 , 目前已派生 出数十种不 同特点的测 试方法?详见 表 ? ? ? 了, 至于 由表 ? 中再派生或发展出来的具体 测试装 置那就更多 了 ? 近十多年来 , 随着计算机 、 红外?包括热 象仪? 、 激光等新技术在热物性测 试技术 上的 应用 , 测试的准确度 和精度 明显 提高 , 测试功 能不断扩大 , 试样尺寸大大减小 , 促使了热物 性测试技术向高速化 和 自动化发 展 ? 在这方 面 比较有代表性的是近十多年发展 起来的计算机 运控的激光热导仪? ? ? 这种新方法测试周期已 ?卷?期 确必余奋 表 ? 导热

15、系数 测试方法分类表 纵向热 流法 ? 绝对法 ? 比较法? 圆棒法 平板?圆盘?法 棒元体法 平板法 混合法 ?圆柱体法 球体和椭球法 同心球和同心圆柱 体法 ?阮? ? ? 平 板法 同心国球体法 盘状法 纵向热流法 径 向热流法 ? ? 、? ? ? ? ?卜从 ?飞 法 法 对 较绝 比 广 ? ?、? ?、 福勃 圆 棒法 径向热 流法 ? 、 嘴 厂圆柱体 ?法 直接电? 加热法? ?细棒近似法 导热系数 钡? ?试方法 矩形棒 法 热电法 热比较器法 周期热?纵向热流法 流法 飞径向热流法 ? 纵向热流法 ? 瞬时热 流法 闪光法? ? ? ? 径 向热流法 线热源法和探针法 可

16、动热源法 比较法 ? ? ? ? ? ?七 厂 ? ? ? 弓 ? 法法 法 痣 非稳广 ? ? ? ? 弋 吸 ? ?口? ? ? ? ?通七 缩短到几 百毫秒 , 试样仅是 直径为 ? 厘米 、 厚 ? ? ?到? ? ?厘 米的小圆片 , 且可 同时测 出 ? 、 几 、 入三个热物性 数据 ? 在热物性测试技术方 面的另一个 可喜的进 展是 , 为了对实际部件的热物性进行直接的现 场测 试 , 在导热系数和热发 射率等的测试方面 , 都已研制成功了若干种手携式 的小型快速检测 装置? ? ? ? 这 些装置一般采用比较法原理 , 由 于它能直接反 映实际部件的热物性行为 , 所以 在能源技术等工程 领域中有着广阔 的 应 用 前 景 ? 在热物性测 试方法的研究中值得注意 的动 向