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在氣體中，熱傳導可由分子的自由運動而傳熱，金屬材料中由于有大量自由電子，電子是其主要傳熱機構，因此金屬材料有較大的熱導率。在無機非金屬材料固體的導熱中，以什么樣的機理傳熱呢？

熱傳遞有三種方式：熱傳導、對流和輻射

熱傳遞是指溫度不均勻或者兩個溫度不同的物體，熱量自動低從熱端傳向冷端的想象。熱傳遞是自然界普遍存在的一種自然現象，只要物體之間或同一物體的不同部分之間存在溫度差，就會有熱傳遞現象發生，并且將一直繼續到溫度相同的時候為止。

從物體溫度較高的部分沿著物體傳到溫度較低的部分叫做熱傳導，是固體中熱傳遞的主要方式。靠液體或氣體的流動來傳熱的方式叫做對流，對流是液體和氣體中熱傳遞的主要方式，在氣體或液體中，熱傳導過程往往和對流同時發生。輻射熱由物體沿直線向外射出，輻射不需要任何介質，物體溫度越高，輻射越強。在高溫和真空條件下，物體不相互接觸時，熱輻射是傳熱的主要方式。

熱傳導微觀傳熱機理及導熱載體

宏觀上的熱量傳遞現象是由微觀粒子的運動引起的。不同微觀結構的材料導熱性能也有所不同。分子間的相互碰撞是熱量在氣體及液體中傳導的主要方式，而固體材料中熱量的傳導并不是通過分子相互碰撞來實現，而是靠電子、聲子（晶格振動的“量子”）及光子（電磁輻射）等導熱載體實現，不同固體物質的主要導熱載體不同。

對于金屬及合金材料而言的導熱載體主要是自由電子，自由電子不受束縛可以通過相互碰撞來實現熱量的快速傳遞。

在無機非金屬材料中，晶格振動的為主要的導熱機構，晶格振動的格波又分為聲頻支與光頻支。在溫度不高時，光頻支格波能量很小，導熱的貢獻主要來自聲頻支格波，聲子作為導熱載體。晶體傳熱是聲子碰撞的結果，熱傳導的過程是聲子從高濃度區到低濃度區的擴散過程，其熱阻則是聲子擴散過程中的各種散射。

高溫時，固體材料中分子、原子和電子的振動、轉動等運動狀態會改變，會輻射出頻率較高的電磁波譜。較強熱效應的是波長在0.4-40um間可見光與近紅外光區域。光子熱傳導在光頻范圍內，其傳播過程與光在介質中傳播現象類似，可以把它們的導熱過程看作是光子在介質中傳播導熱過程。對于輻射線是透明的介質，熱阻很小，Lr（光子的平均自由程）較大，如：單晶、玻璃，在773--1273K輻射傳熱已很明顯；對于輻射線不透明的介質Lr很小，大多數陶瓷，一些耐火材料在1773K高溫下才會輻射明顯；對于完全不透明的介質，Lr=0，在這種介質中，輻射傳熱可以忽略。

影響無機非金屬材料熱導率的因素

由于無機非金屬材料相結構復雜，包括玻璃相和一定孔隙率。熱導率影響因素比較復雜，對熱導率產生影響的主要因素如下：

1、溫度的影響

熱導率由熱容和自由程的綜合影響決定，公式如下。溫度升高，碰撞加劇，聲子自由程L降低。低溫下，聲子速度υ可看作是常數，只有在溫度較高時，由于介質的結構松馳而蠕變，使介質的彈性模量迅速下降，υ減小。此外，對于絕大多數氧化物、碳化物，熱容都是從低溫時的一個低的數值增加到近似于25J/K·mol的數值，進一步增加溫度，熱容C基本上沒有什么變化。

氧化鋁單晶的熱導率隨溫度變化

以氧化鋁單晶為例，低溫時主要是聲子傳導，聲子在固體中的速度可視為常數，但溫度較高時，由于介質結構松弛而發生蠕變，使彈性模量減小，從而使聲子在固體中的速度有所減小。熱容C在低溫時與T3成比例，在溫度高于德拜溫度時，C趨向于一個定值。自由程則有隨溫度的升高而迅速降低的特點，低溫時，上限為晶粒的距離，高溫時，下限為晶格的間距。在低溫時，熱導率λ與T成比例。高溫時，λ則迅速降低，在40K附近，出現極大值。當達到1600K時，由于輻射傳熱，λ又有所升高，氧化鋁的熱導率又有上升趨勢。

材料種類不同，導熱系數不同，其與溫度的變化規律也不盡相同。對于大多材料來說，隨溫度的升高、熱導率有降低的趨勢。但對于有一定氣孔率的材料，如硅藻土磚、黏土磚等，隨著溫度上升，熱導率卻略有增大。

2、化學組成

同組成的材料，會形成不同的晶體結構。構成晶體質點的大小、性質不同，它們的晶格振動狀態、傳導熱量的能力也就不同，熱導率往往有很大的差異。

一般情況下，組成元素的相對原子質量愈小、晶體的密度愈小，德拜溫度愈高，彈性模量愈大，其熱導率愈大；輕元素的固體或結合能大的固體熱導率較大。

在氧化物和碳化物中，凡是陽離子的相對原子質量較小的，其熱導率比陽離子相對原子質量較大的要大些，因此在氧化物陶瓷中BeO具有最大的熱導率（比氧化鋁大多了）。玻璃的組分對導熱系數的影響較晶體材料中的組分影響要小得多。但當玻璃中含有重金屬離子（如Pb）時，導熱系數將降低。

金剛石與硅的熱導率隨溫度變化，理論值（實線）與實驗值（點）對比

當溫度升高時，振動幅度加大，非諧效應增強，熱導率也就下降了。

得益于碳元素較小的質量，以及較強的碳-碳鍵，金剛石中振動的傳播非常“順暢”。

3、晶體結構

如果不計算光子導熱的貢獻（晶體透明光子導熱率高），對于同一種物質，#多晶體的熱導率總是比單晶小#，由于多晶體中晶粒尺寸小，晶界多，缺陷多，晶界處雜質也多，聲于更易受到散射，它的平均自由程小得多，所以熱導率小。高溫時，兩者的熱導率比較接近。

晶體與非晶體材料的導熱系數曲線

非晶體導熱系數曲線與晶體導執系數曲線的個重大區別是沒有導熱系數的峰值點，說明非晶體物質的聲子平均自由程幾乎在所有溫度范圍內均接近常數。陶瓷材料的導熱系數介于晶體與非晶體之間，可能有三種情況：①當材料中所含的晶相比非晶相多時，在一般溫度下，λ隨溫度的升高而有所降低，在高溫下，λ不隨溫度變化。②當材料中含有較多的玻璃相時，λ則隨溫度的升高而升高。③當晶相與非晶相為某一適當比例時，λ可在相當大的溫度范圍中基本上保持常數。聲子傳導與晶格振動的非諧和有關。

對于#非等軸晶系的晶體#，熱導率存在著各向異性的性質。例如：石英、金紅石、石墨等都是在膨脹系數低的方向熱導率最大。溫度升高時，不同方向的熱導率差異減小。這是因為溫度升高，晶體的結構總是趨于更好的對稱。

聲子傳導與晶格振動的非諧和有關。#晶體結構愈復雜#，晶格振動的非線性程度愈大。其聲子的散射程度愈大。因此聲子平均自由程較小，所以熱導率低。

例如，莫來石的晶體結構復雜，因此熱導率低。玻璃是無機非晶體材料，其熱導率變化有其特殊性。研究表明，不管在低溫或高溫，玻璃中聲子的平均自由程也只有幾個原子間距，隨溫度變化不明顯。因為玻璃的微觀結構只是近程有序、遠程無序。因此，熱導率在較低溫度下由熱容貢獻，而在較高溫度時則需考慮光子導熱的貢獻。

4、缺陷和分散相

缺陷和雜質會導致聲子散射，降低聲子的自由程，固溶體的形成也是如此。取代元素的質量大小與基質元素相差愈大，取代后結合力改變愈大，對入影響也愈大。在低溫時，上述影響隨溫度的升高而加劇。

例如：AlN陶瓷的導熱機理屬聲子導熱，在燒結過程中，氧進入AIN晶格形成固溶體，伴隨著形成鋁空位、位錯等結構缺陷，顯著降低了聲子的平均自由程，導致熱導率降低，同時晶界相的組成、含量與分布，氣孔的含量與分布以及晶粒分布的均勻程度等顯微結構因素對AIN陶瓷的熱導率也有較大影響。

標題所提的高導熱的無機非金屬材料的共同特點

粉體圈編輯：Alpha

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