陶瓷为什么能导热？
时间：2025-02-04 发布人：admin 点击数：0
金属材料凭借自由电子的存在，得以同时具备导热和导电的功能。与之形成鲜明对比的是，绝大多数陶瓷材料由于缺乏自由电子，因而拥有良好的电绝缘性。不过，陶瓷材料天生具备出色的导热性。这种优异的 “热电分离” 特性，使陶瓷材料在工程应用领域拥有无可替代的地位。那么，陶瓷材料究竟是如何实现这一优异特性的呢？作为工程陶瓷材料的核心参数，陶瓷材料的热导率公式又是怎样推导出来的呢？在推导热导率公式之前，我们先来了解一下陶瓷材料的热传导机理。扬州晶格半导体提供高纯度、大尺寸单晶硅、多晶硅、碳化硅材料，并可定制加工各种类型硅部件、硅靶材。17826693981陶瓷通常属于多晶材料，由晶粒和晶界构成，可能还存在气孔或其他缺陷。固体物理中的声子理论指出，在常温条件下，多晶体的热传导主要由声子（晶格振动）传热主导；而在高温环境中，光子（辐射）传热则起到主导作用。下面我们分别介绍这两种传热方式。陶瓷材料一般为绝缘体，电子传导的贡献微乎其微，主要依靠声子传导。声子是陶瓷晶格振动格波的量子化表现形式。在温度梯度的作用下，声子会从高温区域向低温区域移动，从而实现热量在材料中的传播。陶瓷材料的声子传热效果，主要取决于其组成成分、物相种类及其占比、微观结构、晶粒大小以及晶体缺陷等因素。尤其是当陶瓷材料中存在大量气孔时，热导率会进一步降低。这是因为气体（通常为空气）的热导率远低于固体材料，同时气孔等缺陷的存在会加剧声子的散射过程，缩短声子的平均自由程，进而削弱材料的导热能力。
在陶瓷材料中，除了通过声子振动进行热量传递外，还有极少一部分热量是由高频率电磁辐射能产生的，这种能量被量子化为光子。光子传热的热导率计算公式为：其中，σ 为斯忒藩 - 玻耳兹曼常数，其值为 5.67×10⁻⁸W / (m²・K⁴)，n 为折射率，T 为温度，l 为电磁辐射能的平均自由程。只有当陶瓷材料的尺寸大于电磁辐射能的平均自由程时，光子传热才具有实际意义。例如，一些单晶材料、透明或者半透明的陶瓷材料在高温（>1000℃）时，以辐射方式（量子化形式为光子）传热的效果十分显著。在常温下，陶瓷材料因电磁辐射产生的能量远远小于晶格振动产生的能量。因此，辐射能的传递效率主要取决于平均自由程，而平均自由程又取决于波长。对于一些不透光的材料，其平均自由程为 0，根据上述公式可知，其电磁辐射能也为 0；对于那些尺寸小于平均自由程的材料而言，电磁辐射能仅仅是一种表观现象，光子传递的热量对导热的贡献极其微弱，可以忽略不计。在声子传热过程中，陶瓷材料中热量的传递受单位体积的热量浓度和粒子的运动速率影响。假设陶瓷材料质地均匀，分子浓度为 n，平均运动速率为 v，当 x = 0 时分子具有能量 E0，平均自由程（分子之间发生碰撞，能量达到平衡时，前后两次碰撞之间的平均距离）为 λ。那么在 x 轴方向单位面积上分子的平均运动速率为：而在与 x 轴平行的方向上，分子能量为：那么在 x 轴方向上能量可以由下式得到：由此可以得到热导率的计算公式如下：其中，κ 为陶瓷材料的热导率，cᵥ 为陶瓷材料的单位体积热容（与材料储热能力相关），v 为声子平均群速度（由晶体结构决定），λ 为声子平均自由程（受散射机制影响）。- 晶界（boundary）散射：多晶陶瓷的晶界作为声子的散射中心，会缩短平均自由程，从而降低热导率。
- 缺陷与杂质（defect）散射：多晶陶瓷中的点缺陷、位错等，也会局部扰动并散射声子。
- 声子 - 声子散射（phonon - phonon 散射）：高温下声子间的碰撞会导致能量耗散，显著影响热导率。
因此，上式中的平均自由程 λ 还应修正为 λ_total 。需要说明的是，在低温时，晶界散射起主导作用（κ 随温度升高而增大）；在高温时，声子 - 声子散射（Umklapp 散射）起主导作用（κ 随温度升高而下降）。作为固体物理的核心理论之一，声子理论很好地解释了多晶陶瓷材料绝缘又导热的特性。
