晶體結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響

聲子傳導(dǎo)與晶格振動(dòng)的非諧性有關(guān)，晶體結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，晶格振動(dòng)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(dǎo)率較低。例如鎂鋁尖晶石的熱導(dǎo)率比Al2O,和MgO的熱導(dǎo)率都低。莫來石的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以熱導(dǎo)率比尖晶石還低得多。對(duì)于非等軸晶系的晶體，熱導(dǎo)率也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)率大。溫度升高時(shí)不同方向的熱導(dǎo)率差異趨于減小，這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高，晶體的結(jié)構(gòu)總是趨于高的對(duì)稱性。

對(duì)于同一種物質(zhì)，多晶體的熱導(dǎo)率總是比單晶小，圖4.1-20表示了幾種無機(jī)材料單晶和多晶體熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系。由于多晶體中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界處雜質(zhì)多，聲子易受到散射，它的平均自由程就要小得多，所以熱導(dǎo)率就小。另外還可以看到低溫多晶的熱導(dǎo)率是與單晶的平均熱導(dǎo)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(zhì)等在較高溫度時(shí)對(duì)聲子傳導(dǎo)有大的阻礙作用，同時(shí)單晶在溫度升高后比多晶在光子傳導(dǎo)方面有明顯的效應(yīng)。

通常玻璃的熱導(dǎo)率較小，而隨著溫度升高，熱導(dǎo)率稍有增大，這是因?yàn)椴ＡH存在近程有序性，可以近似地把它看成是晶粒很小（接近晶格間距）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(gè)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(dǎo)率就較小。圖4.1-21表示石英和石英玻璃的熱導(dǎo)率對(duì)于溫度的變化，石英玻璃的熱導(dǎo)率可以比石英晶體低三個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4.1-20 幾種無機(jī)材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系