在氣體中，熱傳導(dǎo)可由分子的自由運動而傳熱，金屬材料中由于有大量自由電子，電子是其主要傳熱機構(gòu)，因此金屬材料有較大的熱導(dǎo)率。在無機非金屬材料固體的導(dǎo)熱中，以什么樣的機理傳熱呢？

熱傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、對流和輻射

熱傳遞是指溫度不均勻或者兩個溫度不同的物體，熱量自動低從熱端傳向冷端的想象。熱傳遞是自然界普遍存在的一種自然現(xiàn)象，只要物體之間或同一物體的不同部分之間存在溫度差，就會有熱傳遞現(xiàn)象發(fā)生，并且將一直繼續(xù)到溫度相同的時候為止。

從物體溫度較高的部分沿著物體傳到溫度較低的部分叫做熱傳導(dǎo)，是固體中熱傳遞的主要方式。靠液體或氣體的流動來傳熱的方式叫做對流，對流是液體和氣體中熱傳遞的主要方式，在氣體或液體中，熱傳導(dǎo)過程往往和對流同時發(fā)生。輻射熱由物體沿直線向外射出，輻射不需要任何介質(zhì)，物體溫度越高，輻射越強。在高溫和真空條件下，物體不相互接觸時，熱輻射是傳熱的主要方式。

熱傳導(dǎo)微觀傳熱機理及導(dǎo)熱載體

宏觀上的熱量傳遞現(xiàn)象是由微觀粒子的運動引起的。不同微觀結(jié)構(gòu)的材料導(dǎo)熱性能也有所不同。分子間的相互碰撞是熱量在氣體及液體中傳導(dǎo)的主要方式，而固體材料中熱量的傳導(dǎo)并不是通過分子相互碰撞來實現(xiàn)，而是靠電子、聲子（晶格振動的“量子”）及光子（電磁輻射）等導(dǎo)熱載體實現(xiàn)，不同固體物質(zhì)的主要導(dǎo)熱載體不同。

對于金屬及合金材料而言的導(dǎo)熱載體主要是自由電子，自由電子不受束縛可以通過相互碰撞來實現(xiàn)熱量的快速傳遞。

在無機非金屬材料中，晶格振動的為主要的導(dǎo)熱機構(gòu)，晶格振動的格波又分為聲頻支與光頻支。在溫度不高時，光頻支格波能量很小，導(dǎo)熱的貢獻主要來自聲頻支格波，聲子作為導(dǎo)熱載體。晶體傳熱是聲子碰撞的結(jié)果，熱傳導(dǎo)的過程是聲子從高濃度區(qū)到低濃度區(qū)的擴散過程，其熱阻則是聲子擴散過程中的各種散射。

高溫時，固體材料中分子、原子和電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)會改變，會輻射出頻率較高的電磁波譜。較強熱效應(yīng)的是波長在0.4-40um間可見光與近紅外光區(qū)域。光子熱傳導(dǎo)在光頻范圍內(nèi)，其傳播過程與光在介質(zhì)中傳播現(xiàn)象類似，可以把它們的導(dǎo)熱過程看作是光子在介質(zhì)中傳播導(dǎo)熱過程。對于輻射線是透明的介質(zhì)，熱阻很小，Lr（光子的平均自由程）較大，如：單晶、玻璃，在773--1273K輻射傳熱已很明顯；對于輻射線不透明的介質(zhì)Lr很小，大多數(shù)陶瓷，一些耐火材料在1773K高溫下才會輻射明顯；對于完全不透明的介質(zhì)，Lr=0，在這種介質(zhì)中，輻射傳熱可以忽略。

影響無機非金屬材料熱導(dǎo)率的因素

由于無機非金屬材料相結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括玻璃相和一定孔隙率。熱導(dǎo)率影響因素比較復(fù)雜，對熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響的主要因素如下：

1、溫度的影響

熱導(dǎo)率由熱容和自由程的綜合影響決定，公式如下。溫度升高，碰撞加劇，聲子自由程L降低。低溫下，聲子速度υ可看作是常數(shù)，只有在溫度較高時，由于介質(zhì)的結(jié)構(gòu)松馳而蠕變，使介質(zhì)的彈性模量迅速下降，υ減小。此外，對于絕大多數(shù)氧化物、碳化物，熱容都是從低溫時的一個低的數(shù)值增加到近似于25J/K·mol的數(shù)值，進一步增加溫度，熱容C基本上沒有什么變化。

氧化鋁單晶的熱導(dǎo)率隨溫度變化

以氧化鋁單晶為例，低溫時主要是聲子傳導(dǎo)，聲子在固體中的速度可視為常數(shù)，但溫度較高時，由于介質(zhì)結(jié)構(gòu)松弛而發(fā)生蠕變，使彈性模量減小，從而使聲子在固體中的速度有所減小。熱容C在低溫時與T3成比例，在溫度高于德拜溫度時，C趨向于一個定值。自由程則有隨溫度的升高而迅速降低的特點，低溫時，上限為晶粒的距離，高溫時，下限為晶格的間距。在低溫時，熱導(dǎo)率λ與T成比例。高溫時，λ則迅速降低，在40K附近，出現(xiàn)極大值。當(dāng)達到1600K時，由于輻射傳熱，λ又有所升高，氧化鋁的熱導(dǎo)率又有上升趨勢。

材料種類不同，導(dǎo)熱系數(shù)不同，其與溫度的變化規(guī)律也不盡相同。對于大多材料來說，隨溫度的升高、熱導(dǎo)率有降低的趨勢。但對于有一定氣孔率的材料，如硅藻土磚、黏土磚等，隨著溫度上升，熱導(dǎo)率卻略有增大。

2、化學(xué)組成

同組成的材料，會形成不同的晶體結(jié)構(gòu)。構(gòu)成晶體質(zhì)點的大小、性質(zhì)不同，它們的晶格振動狀態(tài)、傳導(dǎo)熱量的能力也就不同，熱導(dǎo)率往往有很大的差異。

一般情況下，組成元素的相對原子質(zhì)量愈小、晶體的密度愈小，德拜溫度愈高，彈性模量愈大，其熱導(dǎo)率愈大；輕元素的固體或結(jié)合能大的固體熱導(dǎo)率較大。

在氧化物和碳化物中，凡是陽離子的相對原子質(zhì)量較小的，其熱導(dǎo)率比陽離子相對原子質(zhì)量較大的要大些，因此在氧化物陶瓷中BeO具有最大的熱導(dǎo)率（比氧化鋁大多了）。玻璃的組分對導(dǎo)熱系數(shù)的影響較晶體材料中的組分影響要小得多。但當(dāng)玻璃中含有重金屬離子（如Pb）時，導(dǎo)熱系數(shù)將降低。

金剛石與硅的熱導(dǎo)率隨溫度變化，理論值（實線）與實驗值（點）對比

當(dāng)溫度升高時，振動幅度加大，非諧效應(yīng)增強，熱導(dǎo)率也就下降了。

得益于碳元素較小的質(zhì)量，以及較強的碳-碳鍵，金剛石中振動的傳播非常“順暢”。

3、晶體結(jié)構(gòu)

如果不計算光子導(dǎo)熱的貢獻（晶體透明光子導(dǎo)熱率高），對于同一種物質(zhì)，#多晶體的熱導(dǎo)率總是比單晶小#，由于多晶體中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界處雜質(zhì)也多，聲于更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以熱導(dǎo)率小。高溫時，兩者的熱導(dǎo)率比較接近。

晶體與非晶體材料的導(dǎo)熱系數(shù)曲線

非晶體導(dǎo)熱系數(shù)曲線與晶體導(dǎo)執(zhí)系數(shù)曲線的個重大區(qū)別是沒有導(dǎo)熱系數(shù)的峰值點，說明非晶體物質(zhì)的聲子平均自由程幾乎在所有溫度范圍內(nèi)均接近常數(shù)。陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)介于晶體與非晶體之間，可能有三種情況：①當(dāng)材料中所含的晶相比非晶相多時，在一般溫度下，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(dāng)材料中含有較多的玻璃相時，λ則隨溫度的升高而升高。③當(dāng)晶相與非晶相為某一適當(dāng)比例時，λ可在相當(dāng)大的溫度范圍中基本上保持常數(shù)。聲子傳導(dǎo)與晶格振動的非諧和有關(guān)。

對于#非等軸晶系的晶體#，熱導(dǎo)率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)率最大。溫度升高時，不同方向的熱導(dǎo)率差異減小。這是因為溫度升高，晶體的結(jié)構(gòu)總是趨于更好的對稱。

聲子傳導(dǎo)與晶格振動的非諧和有關(guān)。#晶體結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜#，晶格振動的非線性程度愈大。其聲子的散射程度愈大。因此聲子平均自由程較小，所以熱導(dǎo)率低。

例如，莫來石的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此熱導(dǎo)率低。玻璃是無機非晶體材料，其熱導(dǎo)率變化有其特殊性。研究表明，不管在低溫或高溫，玻璃中聲子的平均自由程也只有幾個原子間距，隨溫度變化不明顯。因為玻璃的微觀結(jié)構(gòu)只是近程有序、遠程無序。因此，熱導(dǎo)率在較低溫度下由熱容貢獻，而在較高溫度時則需考慮光子導(dǎo)熱的貢獻。

4、缺陷和分散相

缺陷和雜質(zhì)會導(dǎo)致聲子散射，降低聲子的自由程，固溶體的形成也是如此。取代元素的質(zhì)量大小與基質(zhì)元素相差愈大，取代后結(jié)合力改變愈大，對入影響也愈大。在低溫時，上述影響隨溫度的升高而加劇。

例如：AlN陶瓷的導(dǎo)熱機理屬聲子導(dǎo)熱，在燒結(jié)過程中，氧進入AIN晶格形成固溶體，伴隨著形成鋁空位、位錯等結(jié)構(gòu)缺陷，顯著降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低，同時晶界相的組成、含量與分布，氣孔的含量與分布以及晶粒分布的均勻程度等顯微結(jié)構(gòu)因素對AIN陶瓷的熱導(dǎo)率也有較大影響。

標(biāo)題所提的高導(dǎo)熱的無機非金屬材料的共同特點

粉體圈編輯：Alpha

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