Теплофизические свойства
Наибольшее значение из теплофизических свойств имеют для материалов те, которые определяют способность отводить тепло, выделяющееся в процессе работы (теплопроводность), тепловое расширение, устойчивость к воздействию повышенных температур. Теплофизические свойства определяются типом межатомной связи, химическим составом материала и температурой. Рассмотрим некоторые из теплофизических свойств.
Теплопроводностью называется процесс передачи тепловой энергии от более горячих частей тела к холодным. Микрочастицы твердого тела участвуют в теплопроводности согласованно, при повышении температуры какого-то участка возрастает амплитуда колебаний узлов решетки (микрочастиц) относительно равновесных положений. За счет химических связей увеличивается также и амплитуда колебаний соседних микрочастиц, что эквивалентно передаче теплоты в менее нагретую область тела. Теплопередача имеет волновой характер. Микрочастицы, участвующие в передаче теплоты, называют фононами. Они являются квазичастицами. В теплопроводности металлов велика доля и свободных электронов. Поэтому общая теплопроводность -χ состоит: из χэ- электронной составляющей теплопроводности, и χф- фононной, т. е. χ=χэ + χф.
Количественный показателем теплопроводности является экспериментально определяемый коэффициент теплопроводности λ, равный отношению количества теплоты Q, Дж, передаваемого за время t, с, через стенку площадью S=1 м2, при градиенте температур в ней ΔТ/Δŀ, равном 10К/м, по формуле 
,
и имеет размерность Вт/м*0К.
В металлах механизм переноса тепла связан с электронами и фононами, в диэлектриках – только с фононами. Закон Видемана-Франца устанавливает, что для металлов отношение электронной теплопроводности χэ к электронной проводимости σэ есть величина постоянная:
.
Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и электроны. Материалы в аморфном состоянии также хуже проводят теплоту.
Существенное влияние на теплопроводность оказывает тип химической связи. В таблице 2 приведены показатели физических свойств материалов с разными типами связей.
Таблица 2
Физические свойства материалов с различными типами химических связей
| Материал | ТКЛР,
 *10-6, σК-1
|  , Вт/(м*σК)
| Материал | ТКЛР,
*10-6, σК-1
| , Вт/(м*σК)
|
| Металлическая связь | Ионная связь | ||||
| Cu Be Al Fe | 16,7 12,8 12,1 | BeO Al2O3 SiO2 ZrO2 | 10,6 8,4 0,5 7,6 | 152,4 28,9 12,6 1,6 | |
| Ковалентная связь | Молекулярная связь | ||||
| Алмаз Графит SiC AlN | 1,2 8,1 4,3 4,03 | Поливинилхлорид Полистирол Поликарбонат Фторпласт - 4 | 60…70 – | 0,4 0,16 0,24 0,24 |
Тепловое расширение проявляется в изменении объема или линейных размеров тела при повышении температуры. Оно определяется характером изменения сил притяжения и отталкивания, действующих между атомами вещества при изменении расстояний между ними (рисунок 5,б). Кривая изменения энергии связи Есв.=f(d) имеет минимум при F=0. Это условие выполняется только при температуре абсолютного нуля. При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов, которая может изменяться в диапазоне d1-d`1 , (кривая изменения энергии сместиться вверх по рисунку 5,б), несимметрично относительно положения равновесия с межатомным расстоянием d0. Несимметричность амплитуд тепловых колебаний атомов при повышении температуры приводит к увеличению средних межатомных расстояний и лежит в основе теплового расширения.
Показателем теплового расширения является определяемый на практике температурный коэффициент теплового линейного расширения ТКЛР–α, равный 
, где Δŀ– изменение длины при повышении температуры на ΔТ градусов; l– длина образца. Обычно ТКЛР определяется как среднее значение для диапазона температур от 20 до 2000С и имеет размерность 0К-1.
Чем сильнее сила связи между частицами твердого тела, тем меньше ТКЛР материала (таблица 2). Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромолекул в полимерах отражается на значениях ТКЛР: они существенно различаются в направлении преимущественной ориентации и в поперечном направлении, т. е. имеет место анизотропия.
Тепловое расширение полимеров уменьшается при усилении межмолекулярного притяжения благодаря взаимодействию диполей, наличия водородных и химических связей молекул.
Различие значений ТКЛР двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений в сопряжении. Согласование (обеспечение примерного равенства ТКЛР) значений α при соединении неметаллов с металлами, необходимо, например, у материалов подложек с проводниковыми и резистивными пленками, гермовводов в герметичный объем и других случаях. Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке, пайке, склеивании разнородных материалов. Особенно важен этот учет для изделий, работающих в изменяющихся температурных полях. Наиболее стойки к перепадам температур и разрушению материалы, в которых малые ТКЛР сочетаются с высокой теплопроводностью.
Термоудар– способность материала выдерживать без разрушения резкие смены температур. Чем меньше ТКЛР материала и выше его теплопроводность χ, тем большей стойкостью к термоудару обладает материал. Хорошей стойкостью к термоударам обладает металлы, бериллиевая керамика, плавленый кварц и другие. Понятие термоудар относится не только к материалу, но и к изделию.
Под нагревостойкостью материала понимают его свойство сохранять без изменения химический состав и структуру молекул при повышенных температурах. Для различных по строению и условиям эксплуатации материалов в различных областях техники ограниченно используют и другие термины, отражающие влияние температуры на свойства материала: теплостойкость– для полимеров, пластмасс; жаростойкость, термостойкость –для металлов [1,2,3,4,6].