Przykładowe zagadnienia

1. Jak i dlaczego wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego zależy od temperatury?

Zależność temperaturowa przewodnictwa sieci wynika ze zmian częstotliwości drgań sieci wraz ze zmianą temperatury. W wysokich temperaturach sieciowe przewodnictwo cieplne ograniczone jest głównie przez oddziaływania fonon-fonon. Ten termiczny opór W_U dominujący jest w temperaturze T>>_D. W wysokich temperaturach całkowita liczba fononów, z którymi może oddziaływać dany fonon jest proporcjonalna do T. Średnia droga swobodna fononu jest odwrotnie proporcjonalna do liczby fononów, z którymi on może się zderzyć, czyli jest odwrotnie proporcjonalna do T. W niskich temperaturach istnieje coraz mniejsze prawdopodobieństwo wzajemnego oddziaływania fononów. Dlatego można wyróżnić trzy główne procesy ograniczające wielkość sieciowego przewodnictwa cieplnego. Pierwszym procesem jest rozpraszanie fononów przez elektrony przewodnictwa na skutek drgań cieplnych sieci krystalicznej, tj. oddziaływanie fonon-elektron W_E. Jest to proces odwrotny do rozpraszania W_L. Opór ten jest dominujący w niskich temperaturach. Drugim procesem jest rozpraszanie na dyslokacjach, tj. oddziaływanie fonon-dyslokacje W_D, ponieważ średnia droga swobodna jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości, a ta z kolei proporcjonalna jest to temperatury T, to W_D jest odwrotnie proporcjonalna do T₂. Opór ten jest dominujący w niskich temperaturach. Trzeci proces to rozpraszanie na defektach punktowych, tj. oddziaływanie fonon-defekty punktowe W_P, proporcjonalne do temperatury. Gdy rozważa się transport ciepła w krysztale procesy umklapp powodują pojawienie się pewnej składowej powrotnego transportu energii zachodzącego od niższej do wyższej temperatury. Ponieważ w wyższych temperaturach fonony akustyczne mają większy pęd efekt ten w bardzo istotny sposób zmniejsza wartość przewodnictwa w wysokich temperaturach.

2. Jak mikrostruktura modelowego materiału wielofazowego wpływa na wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego?

Jeśli przypływ ciepła jest prostopadły do granic rozdziału warstw a w całym układzie występuje ta sama gęstość strumienia ciepła i całkowita oporność cieplna jest równa sumie oporności cieplnych warstw.

Jeśli przypływ ciepła jest równoległy do granic rozdziału warstw a w całym układzie występuje ten sam gradient temperatury to odwrotność oporności układu równoległego jest ważoną sumą odwrotności poszczególnych warstw.

3. Wyjaśnić różnice wartości α występujące między kryształami jonowymi i kowalencyjnymi.

Wiązanie kowalencyjne jest wiązaniem silnym, ma charakter wysoce kierunkowy. Kryształy są twarde i słabo odkształcalne (typowe wiązanie dla półprzewodników). Kryształy jonowe są twarde, o wysokiej temperaturze topnienia, złe przewodniki ciepła i prądu.

4. Jakiego rodzaju naprężenia cieplne mogą wystąpić w krysztale?

Naprężenia cieplne I rodzaju – W materiałach poddawanych zmianom temperatury w obszarze odkształceń sprężystych możliwe jest nierównomierne rozszerzanie cieplne w różnych obszarach. Efektem tego zjawiska jest powstawanie naprężeń cieplnych. Naprężenia wynikają z anizotropii rozszerzalności poszczególnych ziaren lun anizotropii modułu Younga (E). Naprężenia cieplne II rodzaju – naprężenia wynikające z nierównomiernego rozkładu temperatury w objętości.

5. Jakie wielkości służą do scharakteryzowania odporności materiału na wstrząs cieplny?

Pod pojęciem odporności na wstrząs cieplny rozumie się maksymalną różnicę temperatur, przy której maksymalne naprężenia cieplne są równe wytrzymałości tworzywa, czyli:

ΔT = ΔT_max gdy σ_cieplne = σ_{wytrzymałość}

W ujęciu modelowym:

ΔT_max rośnie gdy:

- rośnie wytrzymałość

- maleje rozszerzalność cieplna

- maleje E

6. Jakie są sposoby podwyższania odporności materiałów na wstrząs cieplny?

Efektywnym i znanym sposobem podwyższenia odporności cieplnej polimerów epoksydowych jest wprowadzenie w strukturę makrocząsteczki jaka powstała w procesie sieciowania żywicy układów skondensowanych pierścieni alicyklicznych lub aromatycznych. Wprowadzenie struktur skondensowanych pierścieni, które może nastąpić zarówno do żywicy jak i środka sieciującego, powoduje równolegle do podwyższenia odporności cieplnej pogorszenie własności technologiczno-przetwórczych oraz mechanicznych. Pogorszenie tych dwóch parametrów przekreśla często praktyczną użyteczność polimeru i to mimo jego wysokiej odporności cieplnej. W przypadku szkieł narażonych na nagłe zmiany temperatury wykorzystuje się znajomość współczynników rozszerzalności cieplnej. Popularne szkło gospodarcze tzw. szkło sodowe posiada wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej tj. 8,510^-6/^oC i nie jest odporne na szoki cieplne. Natomiast szkło borokrzemianowe ma współczynnik rozszerzalności cieplnej równy 4,0 * 10^-6/^oC i w związku z tym jest bardziej odporne na szoki cieplne.