比较同一组成的单晶、多晶、非晶态无机材料的热导率随温度的变化是什么?
参考答案:
无机材料的热导主要为低温下的声子传导和高温下的光子传导。
(1)影响热传导性质的声子散射主要机构有:声子间的碰撞过程;点缺陷的散射;晶界散射;位错的散射。(2)对于晶体,在低温下,仅考虑声子间的碰撞,碰撞的几率正比于exp(-D/2T),而声子平均自由程正比exp(D/2T),即温度越高,平均自由程越小,同时热容又与温度的三次方呈正比,因此晶体的热导率于温度在低温时有一峰值,随着温度的升高,平均自由程小到原子的大小数量级,不能再小,而热容在高温为一常数,因此在高温晶体的热导率不随温度发生变化。但随着温度继续升高,光子传热不可忽略,而光子的热导率与温度的三次方呈正比,因此热导率随温度提高而增大。对于同组成的多晶体由于晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多,对声子散射大,因此多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。对于非晶态相,可以把其看作直径为几个晶格间距的极细晶粒组成的多晶体。因此其平均自由程很小,而且几乎不随温度发生变化,因此热导率仅随热容发生变化。
(3)单晶和非晶态的热导率随温度变化的关系如图所示(图略)非晶体的声子导热系数在所有温度下都比晶体小;两者在高温下比较接近;两者曲线的重大区别在于晶体有一峰值。由于非晶体材料特有的无序结构,声子平均自由程都被限制在几个晶胞间距的量级,因而组分对其影响小。