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在(zai)气体中(zhong)，热(re)传(chuan)(chuan)导可由(you)分子的(de)自由(you)运动(dong)而传(chuan)(chuan)热(re)，金(jin)属材料中(zhong)由(you)于有大量自由(you)电(dian)子，电(dian)子是(shi)其主要传(chuan)(chuan)热(re)机(ji)(ji)构(gou)，因此金(jin)属材料有较大的(de)热(re)导率(lv)。在(zai)无机(ji)(ji)非金(jin)属材料固(gu)体的(de)导热(re)中(zhong)，以什么(me)样的(de)机(ji)(ji)理传(chuan)(chuan)热(re)呢？

热传递有三种方式：热传导、对流(liu)和(he)辐(fu)射

热传(chuan)递是指温(wen)度不均(jun)匀或者两个温(wen)度不同的物体(ti)(ti)，热量自动低(di)从热端传(chuan)向(xiang)冷端的想象。热传(chuan)递是自然界普(pu)遍存(cun)在的一(yi)种自然现象，只要(yao)物体(ti)(ti)之(zhi)(zhi)间(jian)或同一(yi)物体(ti)(ti)的不同部分之(zhi)(zhi)间(jian)存(cun)在温(wen)度差，就会有热传(chuan)递现象发生(sheng)，并且将一(yi)直(zhi)继续到温(wen)度相同的时(shi)候为止。

从物(wu)体(ti)(ti)温度(du)较(jiao)高(gao)的(de)部(bu)分沿(yan)着物(wu)体(ti)(ti)传(chuan)到温度(du)较(jiao)低的(de)部(bu)分叫做(zuo)热(re)传(chuan)导，是(shi)固(gu)体(ti)(ti)中(zhong)(zhong)热(re)传(chuan)递(di)(di)的(de)主要方(fang)(fang)式。靠(kao)液体(ti)(ti)或气(qi)体(ti)(ti)的(de)流(liu)动来(lai)传(chuan)热(re)的(de)方(fang)(fang)式叫做(zuo)对流(liu)，对流(liu)是(shi)液体(ti)(ti)和气(qi)体(ti)(ti)中(zhong)(zhong)热(re)传(chuan)递(di)(di)的(de)主要方(fang)(fang)式，在气体或(huo)液体中，热传导过(guo)程(cheng)往往和对流(liu)同时(shi)发生。辐射热由物体(ti)沿直线(xian)向外射出，辐射(she)不需要任(ren)何介(jie)质，物体(ti)温度越高，辐射(she)越强。在高温和真空条件下，物体(ti)不相互(hu)接(jie)触(chu)时，热(re)辐射(she)是传(chuan)热(re)的主要方式。

热(re)传导微(wei)观传热(re)机理(li)及导(dao)热载体

宏(hong)观上的热(re)量传递(di)现象是由(you)微观粒(li)子(zi)的(de)(de)运动(dong)引起(qi)的(de)(de)。不(bu)(bu)同(tong)微观结构的(de)(de)材料(liao)导热(re)性(xing)能也有所不(bu)(bu)同(tong)。分(fen)子(zi)间(jian)的(de)(de)相互碰撞(zhuang)是热(re)量在气体(ti)(ti)及液体(ti)(ti)中传导的(de)(de)主要方式，而固体(ti)(ti)材料(liao)中热(re)量的(de)(de)传导并不(bu)(bu)是通过(guo)分(fen)子(zi)相互碰撞(zhuang)来实现，而是靠电(dian)子(zi)、声子(zi)（晶格振动(dong)的“量子”）及光子（电磁辐射）等导热载(zai)体(ti)(ti)实(shi)现，不同固体(ti)(ti)物质的主要导热载(zai)体(ti)(ti)不同。

对(dui)于金(jin)属及合金(jin)材(cai)料(liao)而言(yan)的(de)导热(re)载体(ti)主要(yao)是自由电子(zi)，自由电子(zi)不受束缚可(ke)以通(tong)过相互碰(peng)撞(zhuang)来实(shi)现热(re)量的(de)快速传递。

在无机非(fei)金属材料中，晶格振动的为主要的导热机构，晶格振动的格波又(you)分为声频支(zhi)与光频支(zhi)。在温(wen)度不高(gao)时(shi)，光频支格波(bo)能量很小，导(dao)热(re)的贡献(xian)主要来(lai)自声(sheng)频支格波(bo)，声(sheng)子作(zuo)为导(dao)热(re)载体。晶体传(chuan)热是声(sheng)子(zi)碰撞(zhuang)的结(jie)果，热传(chuan)导(dao)的过程是声(sheng)子(zi)从高浓(nong)度区(qu)到低浓(nong)度区(qu)的扩散(san)(san)过程，其热阻则(ze)是声(sheng)子(zi)扩散(san)(san)过程中的各种散(san)(san)射(she)。

高温时，固体材(cai)料中分子、原子和电子的(de)振动、转动等运(yun)动状态会改变，会辐射出(chu)频率较(jiao)高的(de)电磁波(bo)谱。较(jiao)强(qiang)热效应的(de)是波(bo)长(zhang)在0.4-40um间可见光与近红外光区域。光子热传导在光频范围内，其传播过程与光在介质中传播现象类似，可以(yi)把它们的导(dao)热过(guo)程看(kan)作是光子在介质(zhi)中(zhong)传播导(dao)热过(guo)程。对于(yu)辐(fu)射线是透明(ming)的介质(zhi)，热阻很小，Lr（光子的平均自由程）较(jiao)大，如(ru)：单(dan)晶(jing)、玻璃，在(zai)773--1273K辐(fu)射(she)传热已很明显；对于辐(fu)射线不透(tou)明的(de)介质Lr很小，大多数陶瓷，一(yi)些耐火材料在1773K高温下才会(hui)辐射(she)明(ming)显；对于完全(quan)不透明的(de)介质(zhi)，Lr=0，在这种介质(zhi)中，辐射(she)传热可以忽略。

影响无(wu)机非金属材料热导率的因素

由于无(wu)机非(fei)金属材料相结构复杂(za)，包括玻璃相和一定孔隙率。热导率影(ying)响(xiang)因素比较复杂(za)，对热导率产生(sheng)影响的主要因(yin)素如(ru)下：

1、温(wen)度(du)的(de)影响

热导率由热容和自由程的综(zong)合影响(xiang)决定，公(gong)式(shi)如下。温度升高，碰(peng)撞加剧，声子自由程(cheng)L降低。低温下，声子速度υ可(ke)看作是常数，只有在(zai)温度较高时，由于介质(zhi)的(de)结构松(song)驰(chi)而蠕变(bian)，使介质(zhi)的(de)弹(dan)性模量迅速下(xia)降，υ减小。此外，对(dui)于绝(jue)大(da)多数(shu)氧化物、碳化物，热容(rong)都是从(cong)低温(wen)时的(de)(de)一个低的(de)(de)数(shu)值增加到(dao)近似于25J/K·mol的数值，进一步增加温度，热容C基本上没有什(shen)么(me)变(bian)化。

氧化铝单晶的热导率随温度变化

以氧化(hua)铝单晶为(wei)例，低温时主要是声子(zi)传导，声(sheng)子在固(gu)体(ti)中(zhong)的速度(du)可(ke)视为常(chang)数(shu)，但温度(du)较高时，由于介质(zhi)结构(gou)松弛(chi)而(er)发生蠕变(bian)，使弹性模量减小(xiao)，从而(er)使声(sheng)子在固(gu)体(ti)中(zhong)的速度(du)有所减小(xiao)。热容C在(zai)低温(wen)时与T3成(cheng)比例，在(zai)温度(du)高于德拜温度(du)时，C趋(qu)向于一个定值。自由程则有随温(wen)度的(de)升(sheng)高而迅(xun)速降(jiang)低(di)的(de)特点(dian)，低(di)温(wen)时，上限为(wei)晶(jing)粒(li)的(de)距(ju)离(li)，高温(wen)时，下限为(wei)晶(jing)格的(de)间距(ju)。在低(di)温(wen)时，热导率λ与T成比例。高温时，λ则迅速降低，在40K附近，出现极大值。当达到1600K时，由于辐射传热，λ又有所升高，氧化铝的热导率又有(you)上升趋(qu)势。

材(cai)(cai)料(liao)种类不同(tong)，导热(re)系(xi)数不同(tong)，其(qi)与温度的变化规律也(ye)不尽相(xiang)同(tong)。对于大多材(cai)(cai)料(liao)来说，随(sui)温度的升高(gao)、热(re)导率(lv)有降低的趋势(shi)。但对于有一定(ding)气孔率(lv)的材(cai)(cai)料(liao)，如硅(gui)藻土(tu)砖、黏土(tu)砖等，随(sui)着温度上升，热(re)导率(lv)却略(lve)有增大。

2、化(hua)学(xue)组成(cheng)

同(tong)组(zu)成的(de)材料(liao)，会形(xing)成不同(tong)的(de)晶(jing)体结(jie)构(gou)。构(gou)成晶(jing)体质点的(de)大(da)小、性质不同(tong)，它们(men)的(de)晶(jing)格振动状(zhuang)态、传导热(re)量(liang)的(de)能(neng)力也就不同(tong)，热(re)导率往往有很大(da)的(de)差异。

一(yi)般(ban)情况下，组成元素(su)的(de)(de)相对原子质量(liang)愈(yu)小、晶(jing)体的(de)(de)密度愈(yu)小，德拜温(wen)度愈(yu)高(gao)，弹性(xing)模量(liang)愈(yu)大(da)，其热导率愈(yu)大(da)；轻元素的(de)固体(ti)或结合能(neng)大(da)的(de)固体(ti)热导率较大(da)。

在氧化(hua)物(wu)和碳化(hua)物(wu)中(zhong)，凡(fan)是(shi)阳(yang)离(li)子的(de)(de)相对(dui)原子质量较小(xiao)的(de)(de)，其热导率比阳(yang)离(li)子相对(dui)原子质量较大的(de)(de)要大些，因此在氧化(hua)物(wu)陶瓷中(zhong)BeO具有最大的热导率（比(bi)氧化(hua)铝(lv)大多了）。玻璃的(de)(de)组(zu)分(fen)对(dui)导(dao)热系数的(de)(de)影响较晶体材(cai)料中的(de)(de)组(zu)分(fen)影响要小(xiao)得多。但当玻璃中含有重金属离子（如Pb）时，导热系数将降低。

金刚石与硅的热导率随温度变化，理论值（实线(xian)）与实验值（点(dian)）对比

当温(wen)度升高时，振动幅度加(jia)大，非谐(xie)效应(ying)增(zeng)强(qiang)，热导(dao)率也(ye)就下降了。

得益于碳元(yuan)素(su)较小的(de)质量，以及较强的(de)碳-碳键，金刚石中振动的传播非常“顺畅”。

3、晶体结构

如果不计算光子导热(re)的贡献（晶体透明(ming)光子导热(re)率高），对于(yu)同一种(zhong)物质，#多晶体的热导率(lv)总是比(bi)单晶小#，由于多晶体中晶粒尺(chi)寸小，晶界多，缺陷(xian)多，晶界处杂质也多，声(sheng)于更(geng)易受到散射，它(ta)的平均(jun)自由程小得多，所以热(re)导率小。高温(wen)时(shi)，两者的热导率比(bi)较接近。

晶(jing)体与(yu)非晶(jing)体材料的导热系数曲线

非晶(jing)体(ti)(ti)(ti)导热(re)系(xi)(xi)(xi)数(shu)曲(qu)线与晶(jing)体(ti)(ti)(ti)导执系(xi)(xi)(xi)数(shu)曲(qu)线的(de)(de)个重大区别是没有(you)导热(re)系(xi)(xi)(xi)数(shu)的(de)(de)峰值点，说(shuo)明非晶(jing)体(ti)(ti)(ti)物(wu)质(zhi)的(de)(de)声(sheng)子平均自(zi)由程几乎在所有(you)温度范围内均接近常(chang)数(shu)。陶(tao)瓷(ci)材料的(de)(de)导热(re)系(xi)(xi)(xi)数(shu)介于晶(jing)体(ti)(ti)(ti)与非晶(jing)体(ti)(ti)(ti)之间，可能有(you)三种情况(kuang)：①当材料(liao)中所含(han)的晶(jing)相(xiang)比非晶(jing)相(xiang)多时，在(zai)一般温度下，λ随温度的升高而有所降低，在高温下，λ不随温度变化。②当材料中含有(you)较多的玻璃(li)相时(shi)，λ则随温度的升高而升高。③当晶相(xiang)与非(fei)晶相(xiang)为(wei)某一适当比例时，λ可在相当大的温度范围中基本上保持常数。声子传导与晶格振动的非谐和有关。

对于#非等轴晶(jing)系的晶(jing)体#，热导(dao)率存在(zai)着各向异性(xing)的性(xing)质。例如：石(shi)英、金红石(shi)、石(shi)墨(mo)等都是在膨胀系数低的方向热导率(lv)(lv)最大。温度(du)升(sheng)高时，不同方向的热导率(lv)(lv)差异减小(xiao)。这是因为温度(du)升(sheng)高，晶体的结构总是趋于更好(hao)的对称(cheng)。

声子传导与晶格振动的非谐(xie)和有关。#晶体(ti)结构愈(yu)复(fu)杂#，晶格振动的(de)非线性程度愈大。其声(sheng)子的(de)散射程度愈大。因此声(sheng)子平均自由程较小，所(suo)以(yi)热导率低。

例如(ru)，莫来(lai)石的(de)晶(jing)(jing)体结(jie)构复杂(za)，因此(ci)热(re)(re)导率(lv)低(di)(di)。玻(bo)璃是无(wu)机非晶(jing)(jing)体材料，其热(re)(re)导率(lv)变化(hua)有(you)其特(te)殊性。研究表明，不管在低(di)(di)温(wen)或高温(wen)，玻(bo)璃中声子的(de)平均自由(you)程(cheng)也(ye)只有(you)几个原子间距，随温(wen)度(du)变化(hua)不明显。因为玻(bo)璃的(de)微观结(jie)构只是近(jin)程(cheng)有(you)序、远程(cheng)无(wu)序。因此(ci)，热(re)(re)导率(lv)在较低(di)(di)温(wen)度(du)下(xia)由(you)热(re)(re)容(rong)贡献，而在较高温(wen)度(du)时则需考虑光子导热(re)(re)的(de)贡献。

4、缺陷(xian)和分散相(xiang)

缺陷和杂质(zhi)会(hui)导致声子散射，降低声子的(de)自(zi)由程，固溶体的(de)形成也是如(ru)此(ci)。取代元素的(de)质(zhi)量大(da)小与基质(zhi)元素相差(cha)愈大(da)，取代后结(jie)合力改(gai)变愈大(da)，对入影(ying)响也愈大(da)。在低温时(shi)，上述影(ying)响随温度的(de)升高而加剧。

例如(ru)：AlN陶(tao)瓷的导热机理(li)属声子(zi)导热，在烧结过(guo)程中(zhong)，氧进入AIN晶(jing)格(ge)形(xing)成(cheng)(cheng)固(gu)溶体，伴随着形(xing)成(cheng)(cheng)铝空位、位错(cuo)等结构(gou)缺陷，显(xian)著降(jiang)低(di)了声子(zi)的平均自由程，导致(zhi)热导率降(jiang)低(di)，同(tong)时晶(jing)界相的组(zu)成(cheng)(cheng)、含量与分(fen)(fen)布，气(qi)孔的含量与分(fen)(fen)布以(yi)及晶(jing)粒分(fen)(fen)布的均匀程度(du)等显(xian)微结构(gou)因素对AIN陶(tao)瓷的热导率也有较大(da)影响。

标题所提的高导热的无机(ji)非(fei)金属材料的共同(tong)特点

粉(fen)体(ti)圈编(bian)辑：Alpha

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