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在(zai)(zai)氣(qi)體(ti)中，熱傳(chuan)導可由(you)(you)分子(zi)的(de)自(zi)(zi)由(you)(you)運動而傳(chuan)熱，金(jin)屬材(cai)料(liao)中由(you)(you)于(yu)有(you)大(da)量自(zi)(zi)由(you)(you)電子(zi)，電子(zi)是其主(zhu)要(yao)傳(chuan)熱機構(gou)，因此金(jin)屬材(cai)料(liao)有(you)較(jiao)大(da)的(de)熱導率。在(zai)(zai)無機非(fei)金(jin)屬材(cai)料(liao)固體(ti)的(de)導熱中，以什么(me)樣的(de)機理(li)傳(chuan)熱呢？

熱(re)傳(chuan)遞有(you)三種(zhong)方式：熱(re)傳(chuan)導、對流(liu)和輻射

熱(re)(re)傳(chuan)遞是指溫度(du)不均勻(yun)或者兩個(ge)溫度(du)不同(tong)的(de)(de)物體(ti)，熱(re)(re)量自(zi)動低從熱(re)(re)端傳(chuan)向(xiang)冷端的(de)(de)想象。熱(re)(re)傳(chuan)遞是自(zi)然界普遍存在(zai)(zai)的(de)(de)一種自(zi)然現象，只要物體(ti)之(zhi)間或同(tong)一物體(ti)的(de)(de)不同(tong)部分之(zhi)間存在(zai)(zai)溫度(du)差，就會有熱(re)(re)傳(chuan)遞現象發生(sheng)，并且將一直繼續(xu)到溫度(du)相同(tong)的(de)(de)時候為止。

從物(wu)體(ti)(ti)溫(wen)度(du)較高(gao)的(de)部分沿著物(wu)體(ti)(ti)傳(chuan)到溫(wen)度(du)較低的(de)部分叫(jiao)做(zuo)熱傳(chuan)導，是固體(ti)(ti)中(zhong)熱傳(chuan)遞(di)的(de)主要(yao)方(fang)式。靠液體(ti)(ti)或氣體(ti)(ti)的(de)流動(dong)來傳(chuan)熱的(de)方(fang)式叫(jiao)做(zuo)對流，對流是液體(ti)(ti)和氣體(ti)(ti)中(zhong)熱傳(chuan)遞(di)的(de)主要(yao)方(fang)式，在氣體(ti)或液體(ti)中，熱傳導過程往往和對流同時發(fa)生。輻射(she)熱(re)由物體(ti)沿直(zhi)線向外射(she)出，輻射不需要任(ren)何介質，物(wu)體溫(wen)度越高(gao)，輻射越強。在(zai)高(gao)溫(wen)和真(zhen)空條件(jian)下(xia)，物(wu)體不相(xiang)互接觸(chu)時，熱輻射是傳熱的主要方式(shi)。

熱傳導微觀傳熱機理及導(dao)熱載體

宏觀上的熱量(liang)傳遞現(xian)象是由微觀(guan)粒子(zi)的(de)運動引起的(de)。不(bu)同(tong)微觀(guan)結構的(de)材料導熱性(xing)能也有所不(bu)同(tong)。分子(zi)間的(de)相(xiang)(xiang)互(hu)碰撞是熱量在氣體及液體中傳(chuan)導的(de)主要方式，而(er)固體材料中熱量的(de)傳(chuan)導并不(bu)是通過分子(zi)相(xiang)(xiang)互(hu)碰撞來實(shi)現，而(er)是靠(kao)電子(zi)、聲子(zi)（晶(jing)格(ge)振動的“量子”）及光(guang)子（電磁輻(fu)射）等導(dao)熱(re)載體實現，不同固體物質的主要導(dao)熱(re)載體不同。

對(dui)于金(jin)屬及合金(jin)材料而言的導熱(re)載體(ti)主(zhu)要是自(zi)由電(dian)(dian)子，自(zi)由電(dian)(dian)子不受(shou)束縛可以通過相互(hu)碰撞(zhuang)來(lai)實現熱(re)量的快(kuai)速傳遞。

在(zai)無機(ji)非金屬材料中，晶格振動的為主(zhu)要的導熱(re)機構，晶格振動(dong)的格波又(you)分為聲頻支(zhi)與光頻支(zhi)。在溫度不高(gao)時，光頻(pin)支格(ge)波能量很小(xiao)，導熱的(de)貢獻主要(yao)來自聲(sheng)頻(pin)支格(ge)波，聲(sheng)子(zi)作(zuo)為導熱載體(ti)。晶體傳(chuan)熱(re)是聲子碰撞的結果，熱(re)傳(chuan)導的過程是聲子從高(gao)濃(nong)度區(qu)(qu)到低濃(nong)度區(qu)(qu)的擴(kuo)散(san)過程，其熱(re)阻則(ze)是聲子擴(kuo)散(san)過程中的各種(zhong)散(san)射。

高溫時，固體材料中分子(zi)、原(yuan)子(zi)和電子(zi)的振(zhen)動(dong)、轉(zhuan)動(dong)等運動(dong)狀(zhuang)態(tai)會改變，會輻(fu)射出頻率較高的電磁(ci)波譜。較強熱效應(ying)的是(shi)波長在0.4-40um間可見光與近紅外光區域。光子熱傳導在光頻范圍內，其傳播過程與光在介質中傳播現象類似，可以把它們的(de)導(dao)熱過(guo)程看作是(shi)光子在(zai)介質中傳播導(dao)熱過(guo)程。對于輻射線是(shi)透(tou)明的(de)介質，熱阻很小(xiao)，Lr（光(guang)子的平均(jun)自由程）較大，如：單(dan)晶、玻璃，在(zai)773--1273K輻射傳熱已很明(ming)顯；對于(yu)輻射線不透(tou)明的介質Lr很小，大多數陶瓷，一些耐火材料在(zai)1773K高溫下才會輻射明(ming)顯(xian)；對于(yu)完全不(bu)透(tou)明的介質，Lr=0，在(zai)這種介(jie)質(zhi)中，輻射傳(chuan)熱(re)可以(yi)忽(hu)略(lve)。

影響無機非金屬(shu)材料熱導(dao)率(lv)的因素

由(you)于無機(ji)非金屬材料相結(jie)構(gou)復雜，包括玻璃(li)相和一(yi)定孔隙(xi)率。熱(re)導率影響(xiang)因素比較復雜，對熱導率產生影響(xiang)的(de)主要因素如(ru)下(xia)：

1、溫度的影響

熱(re)導(dao)率由熱(re)容和自由程的綜合影響決定，公式(shi)如下。溫度升高(gao)，碰撞加劇，聲子自由程(cheng)L降低。低溫下，聲子速度υ可看作是常數，只有在(zai)溫度較(jiao)高(gao)時，由于介(jie)質的(de)結構松馳(chi)而蠕變，使介(jie)質的(de)彈性模量(liang)迅速下(xia)降，υ減小。此外，對于絕大多數(shu)氧化(hua)物(wu)、碳(tan)化(hua)物(wu)，熱(re)容(rong)都是(shi)從低溫(wen)時的一(yi)個低的數(shu)值增加到(dao)近似于(yu)25J/K·mol的數值，進一步增加溫度，熱容C基本上(shang)沒(mei)有什么變化。

氧化鋁單晶的熱導率隨溫度變化

以氧化鋁單晶為例，低溫時主要是聲子傳(chuan)導(dao)，聲(sheng)子(zi)在(zai)固體中(zhong)的(de)速(su)度可視為常數，但溫度較(jiao)高(gao)時，由于介質結(jie)構松弛而發(fa)生蠕變，使彈性模量減小(xiao)，從(cong)而使聲(sheng)子(zi)在(zai)固體中(zhong)的(de)速(su)度有所減小(xiao)。熱容C在低溫時(shi)與T3成比例，在溫度(du)高于德(de)拜溫度(du)時，C趨向于一(yi)個(ge)定(ding)值(zhi)。自由程則有隨(sui)溫(wen)(wen)度的(de)升(sheng)高而迅速降低的(de)特點(dian)，低溫(wen)(wen)時(shi)，上限為晶(jing)粒的(de)距離，高溫(wen)(wen)時(shi)，下限為晶(jing)格的(de)間距。在低溫(wen)(wen)時(shi)，熱導率λ與T成比例。高溫時，λ則迅速降低，在40K附近，出現極大值。當達到1600K時，由于輻射傳熱，λ又有所升高，氧化鋁的熱導率又有上升趨(qu)勢。

材(cai)(cai)料種類不同，導(dao)熱(re)系數不同，其(qi)與溫度的變化規律也(ye)不盡相同。對于大多材(cai)(cai)料來說，隨溫度的升高、熱(re)導(dao)率(lv)有降(jiang)低的趨勢(shi)。但對于有一定氣孔(kong)率(lv)的材(cai)(cai)料，如(ru)硅(gui)藻土磚、黏土磚等，隨著溫度上升，熱(re)導(dao)率(lv)卻略有增大。

2、化學組成

同(tong)組(zu)成的(de)材料，會形成不(bu)(bu)同(tong)的(de)晶(jing)體(ti)結(jie)構。構成晶(jing)體(ti)質點的(de)大(da)小、性質不(bu)(bu)同(tong)，它們的(de)晶(jing)格振動狀態、傳(chuan)導熱量的(de)能(neng)力(li)也(ye)就不(bu)(bu)同(tong)，熱導率(lv)往往有很大(da)的(de)差異。

一般情(qing)況下(xia)，組成元素(su)的相對(dui)原子(zi)質量(liang)愈(yu)小(xiao)、晶體的密度愈(yu)小(xiao)，德拜溫度愈(yu)高，彈性(xing)模量(liang)愈(yu)大，其熱導率愈(yu)大；輕元素的(de)固(gu)體(ti)(ti)或結合能大的(de)固(gu)體(ti)(ti)熱導(dao)率較(jiao)大。

在氧化(hua)物(wu)(wu)和碳化(hua)物(wu)(wu)中，凡是(shi)陽(yang)離(li)子(zi)(zi)的(de)(de)相對原(yuan)子(zi)(zi)質量較小(xiao)的(de)(de)，其熱(re)導率比(bi)陽(yang)離(li)子(zi)(zi)相對原(yuan)子(zi)(zi)質量較大(da)(da)的(de)(de)要大(da)(da)些，因此在氧化(hua)物(wu)(wu)陶瓷(ci)中BeO具有最大的熱導率（比氧化鋁大多了(le)）。玻璃的組(zu)分對導熱系數(shu)的影響較晶體材料中(zhong)的組(zu)分影響要小(xiao)得多(duo)。但(dan)當(dang)玻璃中(zhong)含有重(zhong)金(jin)屬離子（如(ru)Pb）時，導熱系數將降低。

金剛石(shi)與(yu)硅的熱導率隨溫度變化，理論值（實(shi)線）與(yu)實(shi)驗值（點）對(dui)比(bi)

當溫度升高時，振動幅度加大(da)，非(fei)諧效(xiao)應增強，熱導率也就(jiu)下降了。

得益(yi)于碳(tan)(tan)元(yuan)素較(jiao)小(xiao)的質量，以及較(jiao)強的碳(tan)(tan)-碳鍵，金剛石中振動的傳播非常“順暢”。

3、晶體(ti)結構

如(ru)果不計(ji)算光(guang)子導(dao)熱的貢獻（晶體透明(ming)光(guang)子導(dao)熱率(lv)高），對于同一(yi)種(zhong)物質，#多晶(jing)體的熱導率總是比單晶(jing)小#，由于多(duo)晶體中晶粒尺寸小(xiao)，晶界多(duo)，缺陷多(duo)，晶界處雜質也(ye)多(duo)，聲于更(geng)易受到散射，它(ta)的(de)平均(jun)自(zi)由程小(xiao)得多(duo)，所以熱導率小(xiao)。高溫時，兩者的(de)熱導率比(bi)較接近(jin)。

晶體與非(fei)晶體材料的導熱系(xi)數(shu)曲線

非晶(jing)體(ti)(ti)(ti)導(dao)熱系數(shu)曲(qu)線與(yu)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)導(dao)執系數(shu)曲(qu)線的個重大(da)區別是沒有導(dao)熱系數(shu)的峰值(zhi)點，說明(ming)非晶(jing)體(ti)(ti)(ti)物質的聲(sheng)子(zi)平均自由程(cheng)幾乎在(zai)所有溫度范(fan)圍(wei)內(nei)均接近(jin)常數(shu)。陶瓷材料的導(dao)熱系數(shu)介于晶(jing)體(ti)(ti)(ti)與(yu)非晶(jing)體(ti)(ti)(ti)之間(jian)，可能有三種情況(kuang)：①當材料中所含(han)的晶(jing)相(xiang)比非晶(jing)相(xiang)多時，在一般(ban)溫度下，λ隨溫度的升高而有所降低，在高溫下，λ不隨溫度變化。②當材料中含有較(jiao)多的玻璃相時，λ則隨溫度的升高而升高。③當(dang)晶相與(yu)非晶相為某(mou)一適當比例(li)時，λ可在相當大的溫度范圍中基本上保持常數。聲子傳導與晶格振動的非諧和有關。

對于#非等軸晶系的(de)晶體#，熱(re)導(dao)率存(cun)在(zai)著(zhu)各向(xiang)異性(xing)的性(xing)質。例如(ru)：石英、金紅石、石墨等都(dou)是在膨脹系數(shu)低的方向熱(re)導率最大。溫(wen)度升高時，不(bu)同(tong)方向的熱(re)導率差異減小。這是因為(wei)溫(wen)度升高，晶體(ti)的結構總是趨于更好的對稱。

聲(sheng)子(zi)傳導與晶格振動的非諧和有關。#晶體(ti)結構愈復雜#，晶格振動(dong)的非(fei)線性程(cheng)度(du)愈(yu)大(da)。其聲子的散射程(cheng)度(du)愈(yu)大(da)。因(yin)此聲子平均(jun)自(zi)由程(cheng)較小，所以熱(re)導率低(di)。

例如，莫來石的(de)晶體(ti)結構(gou)復雜，因(yin)(yin)此熱(re)(re)導(dao)率(lv)低。玻璃(li)是無機非晶體(ti)材(cai)料，其熱(re)(re)導(dao)率(lv)變(bian)化(hua)有其特殊性(xing)。研究表(biao)明，不管(guan)在低溫或高溫，玻璃(li)中聲子的(de)平均自由(you)程也只有幾個原子間距，隨溫度(du)變(bian)化(hua)不明顯(xian)。因(yin)(yin)為(wei)玻璃(li)的(de)微觀結構(gou)只是近(jin)程有序、遠程無序。因(yin)(yin)此，熱(re)(re)導(dao)率(lv)在較低溫度(du)下(xia)由(you)熱(re)(re)容貢獻(xian)，而(er)在較高溫度(du)時則(ze)需考慮光子導(dao)熱(re)(re)的(de)貢獻(xian)。

4、缺陷和分(fen)散相

缺陷和雜質(zhi)會導致聲子散射，降低聲子的(de)自(zi)由程，固溶體的(de)形成也是如(ru)此。取代(dai)元素(su)的(de)質(zhi)量大(da)小與基質(zhi)元素(su)相(xiang)差(cha)愈大(da)，取代(dai)后結合力改變愈大(da)，對入(ru)影響也愈大(da)。在低溫時，上(shang)述影響隨溫度的(de)升高而(er)加(jia)劇。

例如：AlN陶瓷的(de)(de)導熱機理屬聲子導熱，在燒(shao)結(jie)過(guo)程(cheng)中，氧(yang)進入AIN晶(jing)格形成固溶體，伴隨著(zhu)形成鋁空位(wei)、位(wei)錯(cuo)等(deng)結(jie)構(gou)缺陷，顯(xian)著(zhu)降(jiang)低了聲子的(de)(de)平均自(zi)由程(cheng)，導致熱導率(lv)(lv)降(jiang)低，同(tong)時晶(jing)界相的(de)(de)組成、含量與分(fen)布，氣孔的(de)(de)含量與分(fen)布以及晶(jing)粒分(fen)布的(de)(de)均勻程(cheng)度(du)等(deng)顯(xian)微結(jie)構(gou)因素對AIN陶瓷的(de)(de)熱導率(lv)(lv)也有(you)較大影(ying)響。

標題所提(ti)的高(gao)導(dao)熱的無(wu)機非金屬材料的共同特點

粉體(ti)圈編輯：Alpha

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