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晶體結構對熱導率的影響

更新時間:2021-02-02      點擊次數(shù):5529

聲子傳導與晶格振動的非諧性有關,晶體結構愈復雜,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,熱導率較低。例如鎂鋁尖晶石的熱導率比Al2O,MgO的熱導率都低。莫來石的結構復雜,所以熱導率比尖晶石還低得多。對于非等軸晶系的晶體,熱導率也存在著各向異性的性質。例如石英、金紅石、石墨等都是在膨脹系數(shù)低的方向熱導率大。溫度升高時不同方向的熱導率差異趨于減小,這是因為當溫度升高,晶體的結構總是趨于高的對稱性。

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

通常玻璃的熱導率較小,而隨著溫度升高,熱導率稍有增大,這是因為玻璃僅存在近程有序性,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),所以熱導率就較小。圖4.1-21表示石英和石英玻璃的熱導率對于溫度的變化,石英玻璃的熱導率可以比石英晶體低三個數(shù)量級。

 

4.1-20 幾種無機材料熱導率與溫度的關系

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