今天來與大家聊一聊電子材料界里重要且關(guān)系又非常緊密的“導(dǎo)電性”及“導(dǎo)熱性”倆性能。

通常來說，材料只要導(dǎo)電性能足夠好，那么熱傳導(dǎo)能力也是好的。經(jīng)典材料案例有銅、銀、鋁等金屬材料，導(dǎo)電導(dǎo)熱一手抓。反之，導(dǎo)電能力差的，導(dǎo)熱性能一定差是否成立呢？？當(dāng)然是不啊，例如不導(dǎo)電的金剛石可以宇宙間數(shù)一數(shù)二的導(dǎo)熱高手。

圖1工業(yè)界及首飾界都為之顛狂的金剛石大哥

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題外話：據(jù)說，利用金剛石熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)這個(gè)性能，可以有效的區(qū)分鉆石（金剛石的導(dǎo)熱率可高達(dá)2300W/mK熱導(dǎo)率，連導(dǎo)熱能力杠杠的金屬銅都自嘆不如阿）及水鉆（仿制品立方氧化鋯導(dǎo)熱率只有3.0W/mK左右），操作方式：用舌頭舔一下，如果感覺舌尖涼涼的，就是真鉆；如果暖暖的，就只是水鉆；這波神操作估計(jì)只能是極為靈敏的舌頭才能辦到。

熱傳導(dǎo)機(jī)制

當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時(shí)，熱量自動(dòng)低從熱端傳向冷端的現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)是由物質(zhì)內(nèi)部分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)的機(jī)理非常復(fù)雜，簡(jiǎn)單的說，固體材料的熱傳導(dǎo)主要存在2種導(dǎo)熱機(jī)制，金屬材料主要靠電子熱傳導(dǎo)，而非金屬材料的熱傳導(dǎo)主要是依靠晶格振動(dòng)的格波（聲子）來實(shí)現(xiàn)的（典型：氧化鈹、氮化鋁陶瓷等材料），高溫時(shí)還可能存在光子傳熱現(xiàn)象。

①電子傳熱：導(dǎo)電導(dǎo)熱原理傻傻分不清丫

金屬中有大量的自由電子，電子的質(zhì)量也很輕，當(dāng)金屬的一部分受熱時(shí)，受熱部分的自由電子能量增加運(yùn)動(dòng)加劇，不斷跟金屬離子碰撞而交換能量，把熱量從一部分傳向整塊金屬，因而金屬有良好的導(dǎo)熱性。能迅速實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，因此，金屬一般都是較大的熱導(dǎo)率。

而金屬能產(chǎn)生電流的原因是在外電場(chǎng)的作用下，金屬中的自由電子會(huì)做定向移動(dòng)會(huì)形成電流。

圖2金屬銀導(dǎo)電性極佳，導(dǎo)熱能力也杠杠

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Question：那熱著熱著金屬會(huì)不會(huì)搞出電流來？Answer：盡管因熱的流動(dòng)中引起的電子的流動(dòng)比其在電場(chǎng)下的規(guī)則運(yùn)動(dòng)要雜亂的多，盡管電子在導(dǎo)體內(nèi)作高速運(yùn)動(dòng)，因?yàn)殡娮拥姆较蚴巧y的，也就是說不定向的，結(jié)果電子由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流相互都抵消了，根本就沒有電流可言。但在導(dǎo)熱過程中確實(shí)是會(huì)有微弱電流產(chǎn)生的，這就是熱電偶的基本原理----溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)、若為封閉回路就會(huì)有微弱電流產(chǎn)生。

圖3鉑銠熱電偶：溫度測(cè)量好工具，可測(cè)0-1600℃

②晶格振動(dòng)：聲子為主，高溫需考慮光子

在微觀導(dǎo)熱過程中，可以看到熱量是由晶格振動(dòng)的格波來傳遞的，格波可以分為聲頻支（聲子，點(diǎn)振波）和光頻支兩種（光子，電磁輻射）。絕緣材料沒有自由電子可以依靠聲子、聲子導(dǎo)熱。

Question：聲子導(dǎo)熱咋理解？Answer：晶格振動(dòng)中的能量是量子化的。聲頻波的能量量子稱為聲子。在溫度不高是，光頻支格波能量小，導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)主要來自聲頻支格波，聲子作為導(dǎo)熱載體。

Question：光子導(dǎo)熱咋理解？Answer：在高溫時(shí)，固體材料中分子、原子和電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)改變，會(huì)輻射出頻率較高的電磁波譜，較強(qiáng)熱效應(yīng)是波長(zhǎng)在0.4-40μm間可見光與近紅外光區(qū)域。光子導(dǎo)熱在光頻范圍內(nèi)，其傳播過程與光在介質(zhì)中傳播現(xiàn)象類似。

晶體中的各種缺陷、雜質(zhì)以及晶粒界面都會(huì)引起格波的散射，也就等效與聲子的平均自由程（聲子兩次碰撞走過的路程稱為聲子自由程）減少?gòu)亩档筒牧系臒釋?dǎo)率，因此結(jié)構(gòu)更完美的單晶通常會(huì)比多晶導(dǎo)熱性能好很多。例如，氧化鋁陶瓷的熱導(dǎo)大約只有剛玉單晶（藍(lán)寶石）的十分之一。

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圖4聲子導(dǎo)熱好材料典型1：氮化鋁陶瓷絕緣導(dǎo)熱好材料

圖5聲子導(dǎo)熱好材料典型2：氧化鈹陶瓷也是

圖6聲子導(dǎo)熱好材料典型2：氮化硅也是

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粉體圈編輯：小白