材料热性能2

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1、金属材料德拜温度和熔点的关系 德拜温度是反映原子间结合力的又一重要物理量。熔点高，也即材料原子间结合力强，D就高，,3。金属材料的热容 电子的热容+晶体振动热容,4.相变过程的热容变化,在发生磁相变的居里温度转变点，热容出现极大值，磁相变属于二级相变。 而在从相到相，从相到相转变时热容都为无限大值，这二个相变的都是一级相变。,2.6热膨胀,1 热膨胀系数定义：当温度变化1时，材料尺寸（或体积）的变化率。其单位是1/K。材料的线膨胀系数为：,2 热膨胀的机制是什么？,原子间相互作用势能中存在非间谐项（3次和高次项）。,声子之间的碰撞造成的。,5,Coefficient of Thermal Ex

2、pansion: Comparison, Q: Why does a generally decrease with increasing bond energy?,Selected values from Table 19.1, Callister & Rethwisch 8e.,Polymers have larger values because of weak secondary bonds,3 热膨胀系数与其他物理量之间的关系,金属材料的体热膨胀系数与热容间的关系式： 金属材料的线膨胀系数与熔点Tm的经验关系式表达： （金属C=7.24*10-2, n=1.17，注意公式中熔点用K）

3、,注意单位！,4 影响热膨胀系数的因素,A.键强 B.晶体结构 C.相变 当金属和合金发生一级、二级相变时，膨胀系数将发生相应的变化。,D.热膨胀的反常现象，因瓦效应,正常热膨胀,热膨胀反常,2.7材料的导热性,稳态以及非稳态导热一般方程，热导产生机理， 1。定义 热传导：在温度差的驱动下，通过分子相互碰撞、分子振动、电子的迁移传递热量的过程。 热导率： 热扩散率：,热量传递有三种基本方式：热传导、对流和热辐射。 热传导现象可以用傅立叶(Fourier)定律来描述。,热传导现象可以用傅立叶(Fourier)定律来描述。对于两端温度分别是T1,T2的均匀棒，当各点温度不随时间变化时(一维稳态）

4、，在t时间内沿x轴正方向传过S截面上的热量为Q ：,是热导率，单位是W/(m.K) ，是单位时间t内、通过单位面积的热量Q， 越大，导热能力越好。,只是由于自身存在的温度梯度将导致热端温度不断下降，冷端温度不断上升，随时间推移最后会使冷热端温度差趋近于零，达到平衡状态。因此可导出截面上各点的温度变化率为：,定义= 为热扩散率，越大的材料各处温度变化越快，温差越小，达到温度一致的时间越短。 要计算出经多长时间才能使工件达到某一预定的均匀温度，就需知道热扩散率。,13,Thermal Conductivity: Comparison, Metals,atomic vibrations and mo

5、tion of free electrons,k (W/m-K),Energy Transfer Mechanism,Material,Selected values from Table 19.1, Callister & Rethwisch 8e.,2。材料热传导的机制,(1)自由电子 金属热传导主要由自由电子导热贡献，其规律： 在室温时，金属的热导率和其电导率的比值是一个常数，不随金属不同而改变: 温度升高时，金属的热传导受到2个因素的影响： （1）自由电子的能量增加，晶格振动的贡献增加； （2）自由电子遭受了更大的散射，迁移率下降。,电子导电导热贡献,在上述2个作用相反的因素作用下，不

6、同的金属有非常不一样的热导行为: 例如铁，热导开始随温度升高而下降，（由于迁移率下降），然后轻微增加。（由于晶格振动） 而Pt的热导随温度升高增加。,如果不考虑电子对热传导的贡献，则晶体中的热传导主要依靠声子碰撞来完成。 设晶格振动对单位体积热容量的贡献为CV，晶体一端温度为T1，另一端为T2，温度高的那一端，晶体的晶格振动具有较多的振动模式和较大的振动幅度，也即较多的声子被激发，具有较多的声子数。 这些格波传至晶体的另一端，使那里的晶格着振动趋于具有同样多的振动模式和幅度，这样就把热量从晶体的一端传到另一端。 如果晶体振动间也即声子间不存在相互作用，则热导系数将为无穷大，晶体间不能存在温度梯

7、度。 实际上，声子间存在相互作用，当它们从一端移至另一端时，相互间会发生碰撞，也会与晶体中的缺陷发生碰撞。 因此声子在晶体中移动时，有一个自由路程 l，这是在两次碰撞之间声子所走过的路程。,(2)声子碰撞,对于两端温度分别是T1,T2的均匀棒，当各点温度不随时间变化时，在单位时间t时间内通过单位面积的热量Q为 ：,在晶体中距离相差l的两个区域间的温度差T：,Q=(CVT)Vx,声子移动l后，把热量CVT从距离l的一端携带到另一端。若声子在晶体中沿x方向的移动速率为Vx，则单位时间内通过单位面积的热量Q为：,lVx,用代表声子两次碰撞间相隔的时间：,由能量均分定理可知：,由于缺乏自由电子的贡献，

8、大多数陶瓷的热导主要依靠晶格振动，其导热率低于金属。,19, Occur due to: - restrained thermal expansion/contraction - temperature gradients that lead to differential dimensional changes,Thermal Stresses,Thermal stress,- A brass rod is stress-free at room temperature (20C). - It is heated up, but prevented from lengthening. - A

9、t what temperature does the stress reach -172 MPa?,Example Problem,T0, 0,Solution:,Original conditions,20,21,Example Problem (cont.),The thermal stress can be directly calculated as,Noting that compress = -thermal and substituting gives,铜：常温(20100)时400W/(mK) 铝：常温(20100)时250W/(mK) Cr: 导热系数93.7W/mK: 常

10、温下，45号钢的导热系数为50 W/(mK)， 人造金刚石：2000W/m.K； -S i3N4 陶瓷:到200 320 W/(mK)，微波窗口 AlN理论热导率为319W/m.K 电子封装 二氧化硅的物理形态（熔融、结晶等）不同，热导率有一定差异，平均值为1.4W/m. 有机玻璃亚克力的热导率；在20摄氏度下一般为0.20w/m.K 聚氨酯发泡保温材料：0.022w/(m.k),作业（下周交）,将一根钢棒两端固定住之后，开始加热，请计算温度升高500时，钢棒受到的热应力。假设弹性模量E保持190Gpa，而钢棒保持弹性状态不变。用第题中Fe的热膨胀系数来计算。 Calculate the he

11、at flux through a sheet of steel 10 mm thick if the temperatures at the two faces are 300 and 100C (573 and 373 K); assume steady-state heat flow，the thermal conductivity for steel is 51.9 W/m K. Railroad tracks made of 1025 steel are to be laid during the time of year when the temperature averages

12、10C (283 K). If a joint space of 4.6 mm is allowed between the standard 11.9-m long rails, what is the hottest possible temperature that can be tolerated without the introduction of thermal stresses?,正日新月异的向前发展。电子封装用于半导 体 集 成电路IC技术中。 封装中，最重要的性能指标是导热系数和热膨胀系数。 高集成度IC在工作中产生的热量必须及时释放以防在过热的状态下工作，从而影响其寿命和

13、功能。 此同时，我们必须要求封装材料的热膨胀系数尽量与芯片保持一致，否则，随工作温度的升高，将不可避免的在相邻部件间及焊接点处产生热应力，从而导致结合处蠕变，疲劳以至断裂。,应用例：印刷电路板(PCB) 的导热性和膨胀匹配,现今大量使用的环氧玻璃布类板材作为PCB基材 ，其导热系数一股为02Wm。普通的电子电路由于发热量小，通常采用环氧玻璃布类基材制作，其产生的少量热量一般通过走线热设计和元器件本身散发出去。 随着元件小型化、高集成化，高频化，其热密度明显加大，特别是功率器件的使用，为满足这种高散热要求后来开发出了一些新型导热性板材。 如美国研制的T-Lam板材，它是在树脂内填充了高导热性的氮

14、化硼粉，使其导热系数提高到4Wm，是普通环氧玻璃布类基材的20倍。 美国Rogers公司开发的复合基材RO4000系列和TMM系列，它是在改性树脂中添加了陶瓷粉，使其导热系数提高到(06-1)Wm,是普通环氧玻璃布类基材的35倍。 陶瓷基板，它是由纯度为92-96的氧化铝(AI2O3)制成，其导热系数提高到10Wm，是普通环氧玻璃布类基材的50倍，它大量使用在混合IC，微波集成器件以及功率组件中，是导热性良好基板材料。 还有就是导热性较好的SiC和AIN等材料，其作为PCB基材应用还在进一步研究中。,R-D%:相对密度；CTEs:膨胀系数*10-6,历年题选 （1）在室温下，半导体Ge导热依靠

15、_（2分） （2）MgO晶体导热主要依靠_（2分） 以简短文字从晶格振动的角度说明热容和热膨胀的来源的异同。（3分） 已知Fe的熔点为1539。请估算一根长度为1米的铁棒丛20加热到520时的伸长量。（4分） 根据材料在温度T D的高温区的热容值，估计单位体积的Al温度从0度升高到100度所需要吸收的热量。已知Al的密度为：2.7g/cm3 原子量为：27（5分） 3. 一根直径为3 mm的铜导线，每米长度上的电阻为2.2210-3。导线外包有厚为1mm、导热系数为0.15 W/(m)的绝缘层。若限定绝缘层的最高温度为65，最低温度为0，试计算确定在这种条件下导线中允许通过的最大电流。 （23

16、2.4 A）,水的比热 水的比热是4.2103J/Kg. .在所有液态和固态物质中，水的比热最大。 这是因为水分子基本架构决定的，依据水基化学向华理论，水的基本架构是单体水分子团簇三维螺旋结构，而且她认为水分子是大自然现有液体分子中团结力最强的分子；当水受热时，要消耗相当多的热量来使团簇分子离解，然后才使水的温度升高。 工业生产上把水作为传热的介质。就是利用水的比热大这一特性。 不能用德拜理论计算,课本6页上关于化合物热容定律-奈曼-科普定律说：化合物分子热容等于构成此化合物元素原子热容之和。并举例说明，双原子固体化合物摩尔热容为2x25J/mol。K。 而课本10页上说合金摩尔热容可用奈曼-科普定律计算，给出了式子C