1、第二十章 熱性（thermal properties） 熱容量（capacity） 熱膨脹（expansion） 熱導性（conductivity） 金屬、陶瓷、高分子 機制（mechanism） 熱應力（stress）,三度空間矽元件 一公頃：25億美元（900億台幣） 複晶，速率，良率 晶片散熱：P4：80W/2.2 cm2 微冷凍器， 1 W，200W /mm2 人腦：25 W 太空梭隔熱,熱現象 熱力學：空氣分子衝擊速率 熱水，熱空氣 燒開水、煮蛋、鹵肉 開瓶蓋，微波加熱 煮飯、燒菜：泥鰍豆腐,熱現象 不沾鍋，複合合金鍋（鋁、不銹鋼），壓力鍋，真空斷熱鍋 長短纖維交織布料 隔熱板 防火
2、材料,熱容量（heat capacity） 熱容：C = dQ/dT 比熱（specific heat capacity）J/kg-K，J/mole-K Cv，Cp Cp Cv,振動熱容量（vibrational heat capacity） 彈性波，聲波 聲子（phonon）,熱容量與溫度關係 低溫：Cv = AT3 T D （Debye temperature） Cv = 25 J/mole-K,其他現象對熱容貢獻 電子，自由電子 低溫較顯著 鐵磁材料：電子自旋對齊,熱膨脹 (lf-l0)/ l0 = l (Tf-T0) l/ l0 = l T V/ V0 = v T 不等向（anisot
3、ropic）,原子間平均距離 位能曲線：曲率不對稱 曲率對稱： = 0 隨溫度增加,金屬：5-25 x 10-6/0C Fe-Ni，Fe-Ni-Co：1 x 10-6/0C Kovar（54Fe-29Ni-17Co，5.1）：borosilicate（Pyrex） Invar （64Fe-36Ni，1.6）and Super-Invar（63Fe-32Ni-5Co，0.72）,陶瓷：0.5-15 x 10-6/0C 強鍵結，除立方晶體與非晶質材料：不等向 某些方向膨脹、其他方向收縮 無機玻璃：與成份有關,熔融（fused）SiO2：0.4 x 10-6/0C 高純度，非晶質、原子堆積密度低 長
4、遇溫度改變器皿，低，相對等向 否則因陶瓷材料較脆，易致熱震撼（thermal shock）,量測熱量（Calorimetry） 微分掃描量測熱量儀（Differential scanning calorimeter, DSC） 相變化（phase transformation） 奈米溫度計（奈米碳管、Ga）,高分子：50-400 x 10-6/0C 高：線性或分支高分子 二次分子間鍵：弱鍵結 鍵結互交（cross-link）少,熱導性 穩定態熱流、熱通量 q （W/m2）= -k（W/m-K） dT/dx 與F = -D dC/dx相同形式 熱流方向：自熱流向冷處,機制k = kl + ke
5、kl ：晶格振動熱導 ke ：自由電子熱導 ke/k 隨 ne 增加,純金屬熱導與電導均由自由電子決定 Wiedemann-Franz 定律 L = k/(T) L ：2.44 x 10-8 W/(K)2,k隨 雜質濃度增加而降低 與電導相似 雜質：電子散射中心 Cu-Zn：k-T 曲線 不銹鋼：高合金成份，k低 不銹鋼：1025：鐵 = 15.9 : 51.9 : 80,陶瓷：2-50 W/m-K 自由電子較少 主要由聲子傳導 非晶質、缺陷多材料 k較低：聲子散射較有效率,陶瓷k先隨溫度增加而降低 較高溫：紅外線輻射熱傳效率增加 k隨孔性增加而降低 空氣：0.02 W/m-K，氣體對流不佳,
6、高分子：0.3 W/m-K 連鎖性分子振動與旋轉 晶體熱傳較好：高度協同連鎖性分子振動,高分子絕熱體 引入小孔隙：聚合時發泡 Styrofoam：發泡保麗龍（polystyrene） 絕熱容器、杯,熱應力：溫度改變引致應力 斷裂或塑性變形 複合材料：界面熱應力 SiO2/Si，金屬矽化物/Si,受限熱膨脹或收縮 軸向受限桿狀物 = E l （T0-Tf） = E l T T0-Tf 0，0（張應力）,例20.1：brass E = 100GPa， = -172 MPA = E l （T0-Tf） l = 20.0 x 10-6/0C Tf = 106 0C,由溫度梯度影響 內部溫度分佈 大小、
7、形狀、熱導性、溫度改變速率 溫度梯度，尺寸改變差別：熱應力,脆性材料熱震撼 金屬、高分子：塑性變形 陶瓷：脆性破損 快速冷卻：外表受張應力，外表瑕疵導致裂縫生成與傳播，較易脆性破損,熱震撼阻抗（thermal shock resistance，TSR） TSR =f k / (E l) 改變加熱速率、溫度梯度,改變k： soda-lime玻璃（k = 9 x 10-6 /0C） 減少CaO-Na2O，加入B2O3（Pyrex，3 x10-6 /0C） 加入孔洞、具延展性第二相 退火移除應力,第二十章 習題 20.3, 20.6, 20.7, 20.8, 20.11, 20.12, 20.15, 20.17, 20.18, 20.19, 20.20, 20.22, 20.26, 20.27, 20.29, 20.32, 20.D1, 20.D2,
