材料科学与工程专业外语翻译 12章

热性能指的是材料受热时的响应，研究材料的热性能是非常重要的。通常情况下，固体以热的形式吸收能量，它的温度和尺寸都会增加。如果存在温度梯度能量就会传输到工件上温度更低的区域，最终工件会熔化。在使用实际应用中，热容，热膨胀和导热性通常是很关键的。本章的目的就是描述先前从未接触过的重要的材料热性能。

特别的，我们讨论热膨胀，热容和导热性对材料的综合影响。和以往一样，我们着重强调在这些性能和原子组成结构的关系。最后，我们描述材料的热传导机理和热应力。

当材料被加热的时候，固体中原子的平均热能就会增加。大约一半的能量用于增加原子的势能，另一半用于增加原子的平动能和振动能。原子的振动产生振动波束也叫做声子会沿着固体传播。由于能量是量子化的，只需通过改变原子的数量就能改变声波的能量。因此声子的能量是量子化的并与振动原子的波长有关，在公式中是代表振动频率。我们将会看到原子的振动对于理解材料的热性能的物理机理是非常重要的。

绝倒多数材料在加热时会膨胀，冷却时会收缩。线性热膨胀系数是表征材料随温度的变化而膨胀或收缩的参数。线性热膨胀系数通过公式来定义。公式中热应变是由温度的变化引起的。我们知道原子得到热能，其振动就会加剧。由于键能曲线是不均匀的，相邻原子之间的平均间距会随着温度的增加而增加。

除了长度改变外，人们也会对固体体积随温度变化而变化感兴

趣。通过义体积热膨胀系数，我们能得到下面这个方程。其中是初始体积，是由温度变化所引起的材料体积的变化。对于各向同性的固体而言，体积热膨胀系数和线性热膨胀系数的关系是。然而我们也应该意识到并不是所有材料都是各向同性的。讨论到现在我们也许会得到错误的结论的图像是温度的函数，这个图像是通过给予的斜度产生的一条直。图9.1中展示了来自这种行为的某些误差展示了一些的突然变化，这一温度变化与二氧化硅的晶体结构有关。该临界温度是材料发生多晶体相变时的温度。然而，即使对于单晶材料，也能经常观察到来自应变随温度变化而变化行为的误差。就像图9.1b中那样许多陶瓷中也有不恒定值。我们也该注意到熔融的石英在图中展示的整个温度范围内值接近零。因此，我们应该知道方程9-1只是在相对较小的温度范围内才成立，在选用手册中的值进行计算的时候必须注意这个问题。

根据原子键合的特点，合理的归纳几种不同类别的材料的值是可能的。例如，由于热塑性塑料聚合体链之间缺乏主价键连接，这些材料就表现出相对较高的值。相反，网状聚合体在未拉伸状态下的值较小。

晶体材料中，金属具有最大的膨胀系数值。然而，这些值通常低于绝大多数聚合体材料的值。许多陶瓷晶体比金属晶体更松散。因此，一些原子的振动就能够在没有膨胀的情况下发生。所以，通常情况下，陶瓷晶体有比金属晶体更低的值。非晶体结构的

陶瓷材料的值变化范围很大。玻璃的膨胀行为是一个与其成分和热过程有关的复杂函数。

材料的热容C是一摩尔的材料升高一度所需要吸收的热量。数学表达式为C=。。。在这个公式中dQ是让材料升高dt的温度所需要的热量。为了大体上获得理论上的热容值不需得到表达式dq\dt的值。经典的热力学计算表明一个原来在温度t下的固体状态所获得的三维方向的热能通过下式给出。Q=。。。在这里k表示波尔斯曼常数，na表示阿伏伽德罗常数。通过关于温度的微分我们发现。。。这里R是气体常数，其值为8.1314。公式9-6就是有名的。。。公式。这个简化的表达式是在等体积上加热的。此外，在等式9-6中的热容是指C，并且另一种是热量在常压下被加到固体上。相应的热容c就会变大，因为固体体积在常压下变大需要额外的热量。Cv和Cp的不同是，随着温度的升高并且只有在接近晶体固体融化或者在无定形固体在玻璃态转化的时候是重要的。

单位质量的热熔叫做材料的比热。我们用大写字母C表示比热，用小写字母c表示热熔。恒压下比热的数值Cp是通过实验数值给出的。与热熔类似，Cv和Cp的不同可以被忽略。通过实验数值我们能够得到比热Cp和理论估计值Cv之间可以通过下式计算。。。

注意的是热熔和比热都是物质固有的性质。相似的非固有的性质叫做热电容，Csh，通过固有的性质Cv和材料的质量M相乘得

到。。。这里p是材料的密度，V是体积。热容是指让物质升高一摄氏度所必须的热量。

热电容是一个应用中的设计参数，其中温度变化相对于时间的速率dT\dt是很重要的。如果其他的变量都是常数，一个系统中温度转化的最大速率反比与热电容。此外，当需要温度快速变化时，低Cth的材料更好。例如，多空的陶瓷耐火材料比同种材料的固体砖块材料在填充熔炉是更合适，因为他们的低的热电容允许更快的冷却和加热速率。通过实验我们知道多空材料能够有更好的保热性。在设计集成电路时的一个问题是在耗能电子元件中电阻的加热会造成温度的升高。当电流通过元件，热量耗散。Q可以通过下式计算。。。这里Q是以焦耳为单位的。I是以安培为单位的，R是电阻以欧姆为单位。这个过程产生的热量可能是很大的。如果热量不能够被耗能元件临近的散热元件通过物质带走，它能够引起元件温度的升高和相应的性能的下降。

尽管炊具都能用金属制造出来，但是许多金属器皿仍然有用木头或塑料做的手把。为什么要进行这种设计上的修改呢？当你握着厚厚的金属手把拿起一个被加热一段时间的很重的盘子的时候，你就知道答案了——金属手把变得很烫了。相反，塑料手把并不会把热量从热源传到你手上，所以即使盘子变热了手把仍然是冷的。在这个部分，我们将会解释原子结构与材料热传导能力之间的关系。

由于温度梯度引起的热能通过固体物质传导类似于由于浓度梯度引起的原子扩散。热传导的方向是从高温区向低温区（即温度梯度降

低的方向），描述一种材料的热传导能力的参数是热导率。温度梯度和热导率K之间的关系类似于5.4部分的扩散方程考虑到图9.2中展示的热流问题，温度梯度和热导率K之间相关的方程是……。

在方程中是单位时间内面积为A的平面所传导的热量。K的单位是或。方程9—10表明单位时间单位面积内的热流正比于温度梯度，并且比例常数是热导率。

热能传过一种材料可以通过两种机制晶体震动（声子）或者是自由电子的运动。因此，最简单的模型是K=Kp+Ke,Kp代表声子的作用，Ke代表电子的作用。这两种机制的相对重要性主要取决于材料的电子键合结构。当材料中部分价键填充的时候，热传导主要取决于自由电子的运动。小键长材料例如半导体中，两种机制的作用都很显著，然而大键长材料例如金刚石主要是声子机制。

方程9-2表明在稳态条件下唯一影响热传导的与材料有关的参数是热导率。然而在非稳态条件下，情况就变得稍微复杂一些。不加推导引出的决定方程是值。在方程中，Dth是称为热扩散系数的材料性能。毫无疑问，这个与时间无关的热传导方程等同于第5章提到的与时间无关的扩散方程。Dth可以定义为更加基本由K和Cp决定的热参数。在方程中是材料的密度。使用前面的两个方程的时候，Dth的单位是。注意这些单位与扩散系数D的单位相同。

由于高的Dth值意味着当温度急剧变化的时候材料能够迅速作出响应，因此在工程实践中，在温度梯度非常重要的场合热扩散也许是最重要的设计指标。在前面部分介绍的热容的作用是什么呢？方程