Механические свойства материалов. Теплофизические свойства материалов, страница 2

Теплофизические свойства материалов.

Наибольшее важными теплофизическими свойствами для материалов электронной техники являются:

1.  Теплопроводность - способность материала отводить тепло.

2.  Тепловое расширение.

3.  Устойчивость к повышенным температурам.

Известно, что механизмы теплопередачи могут быть как контактными (например конвенция), так и бесконтактными бесконтактными (излучение). Теплопроводность – обмен энергиями между соприкасающимися телами при котором нагретое тело отдает энергию своих хаотически движущихся частиц к телу с меньшей температурой.

Для характеристики теплопроводности вводят коэффициент – λ, равный тепловой мощности (измеряющейся в [Вт]), передаваемой через стенку площадью S=1м² при градиенте температуры 1К/м.

У металлов и полупроводников теплопроводность выше за счет вклада от электронов, однако высокая теплопроводность свойственна и некоторым диэлектрикам (алмаз, оксид бериллия).

Тепловое расширение материалов характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения , где Dl – удлинение при изменении температуры на DТ. Для температур отличающихся от комнатной для a_l  указывают температурный диапазон. При комнатной  температуре коэффициент линейного расширения кремния  составляет 5*10^-6 К^-1, полимеров - 7*10^-5 К^-1. Чем сильнее притяжение между частицами, то есть чем симметричнее потенциальная яма, в  которой находится отдельный атом, тем  ниже значение a_l, поэтому материалы с сильной ковалентной связью имеют маленький температурный коэффициент линейного расширения.

Еще одной важной характеристикой материала является нагревоустойчивость – свойство сохранять без изменения химический состав и структуру при повышении температуры. Данная характеристика не имеет четкого количественного выражения, в различных областях техники используются разные термины: теплостойкость, термостабильность, жаростойкость и т.д. У веществ, способных к плавлению, в качестве характеристики теплостойкости можно указать температуру плавления. В стеклах указывается температура при которой происходит потеря механической прочности под действием собственного веса,  а вязкость падает до 10⁶-10⁷ Па*с.

Еще одна величина, характеризующая тепловые свойства материала, - стойкость к термоударам, то есть способность хрупких материалов выдерживать без разрушения смену температур. Для ее характеристики вводят коэффициент , где  - предел прочности, Е   –   модуль упругости в данном веществе,  - температурный коэффициент линейного расширения. Наиболее высокой стойкостью к термоударам обладают металлы, плавленый кварц ( мал), бериллиевая керамика (λ высок).

Оптические свойства материалов

Для материалов электронной техники, применяемых в оптиче ских приборах и устройствах важную роль играют следующие характеристики:

Светопропускание – величина, которая характеризует прозрачность материалов,

Т = I/Io, где I  - интенсивность светового потока проходящего через материал (число квантов в единицу времени через единицу поверхности), Io – исходная интенсивность.

Коэффициент поглощения – величина обратная расстоянию на которое интенсивность световго потока уменьшается экспоненциально.

, где .

Коэффициент отражения

Прозрачными в видимом свете являются диэлектрики так как энергия света (электромагнитной волны) может вызывать лишь колебания связанных атомов не приводя к потере энергии. Металлы непрозрачны, так как энергия электромагнитной волны уходит на повышение энергии электрона. Цвет металлов и большинства полупроводников обусловлен зависимостью показателя поглощения К от длины волны λ. В диэлектриках и полупроводниках цвет определяется шириной запрещенной зоны либо видом и концентрацией примеси образующей локальные уровни в запрещенной зоне (центры окраски). Наиболее полное отражение дают материалы с повышенной проводимостью.

Еще одна оптическая характеристика, блеск – свойство специфически отражать падающий свет, оценивается путем сравнения с эталонами. У прозрачных тел зависит от показателя преломления, а у непрозрачных от коэффициента поглощения.