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晶體結(jié)構(gòu)對熱導(dǎo)率的影響

來源:北京華測試驗(yàn)儀器有限公司   2021年02月02日 13:32  

聲子傳導(dǎo)與晶格振動的非諧性有關(guān),晶體結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜,晶格振動的非諧性程度愈大,格波受到的散射愈大,因此聲子平均自由程較小,熱導(dǎo)率較低。例如鎂鋁尖晶石的熱導(dǎo)率比Al2O,MgO的熱導(dǎo)率都低。莫來石的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以熱導(dǎo)率比尖晶石還低得多。對于非等軸晶系的晶體,熱導(dǎo)率也存在著各向異性的性質(zhì)。例如石英、金紅石、石墨等都是在膨脹系數(shù)低的方向熱導(dǎo)率大。溫度升高時(shí)不同方向的熱導(dǎo)率差異趨于減小,這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高,晶體的結(jié)構(gòu)總是趨于高的對稱性。

對于同一種物質(zhì),多晶體的熱導(dǎo)率總是比單晶小,圖4.1-20表示了幾種無機(jī)材料單晶和多晶體熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系。由于多晶體中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界處雜質(zhì)多,聲子易受到散射,它的平均自由程就要小得多,所以熱導(dǎo)率就小。另外還可以看到低溫多晶的熱導(dǎo)率是與單晶的平均熱導(dǎo)率相一致的,而隨著溫度升高,差異就迅速變大,這也說明了晶界、缺陷、雜質(zhì)等在較高溫度時(shí)對聲子傳導(dǎo)有大的阻礙作用,同時(shí)單晶在溫度升高后比多晶在光子傳導(dǎo)方面有明顯的效應(yīng)。

通常玻璃的熱導(dǎo)率較小,而隨著溫度升高,熱導(dǎo)率稍有增大,這是因?yàn)椴AH存在近程有序性,可以近似地把它看成是晶粒很?。ń咏Ц耖g距)的晶體來討論,因此它的聲子平均自由程就近似為一常數(shù),即等于晶格間距,而這個(gè)數(shù)值是晶體中聲子平均自由程的下限(晶體和玻璃態(tài)的熱容值是相差不大的),所以熱導(dǎo)率就較小。圖4.1-21表示石英和石英玻璃的熱導(dǎo)率對于溫度的變化,石英玻璃的熱導(dǎo)率可以比石英晶體低三個(gè)數(shù)量級。

 

4.1-20 幾種無機(jī)材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系

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