缺陷和显微结构与陶瓷导热系数的关系

缺陷、杂质和显微结构对物质和陶瓷材料导热系数的影响很大，这是由介电晶体的声子导热机理决定的。

在完全是简谐晶格振动的理想晶体中，不存在热阻，声子的平均自由程和导热系数在数值上是无穷大的。但是，每一种实际晶体的原子排列，总存在着不完整性和不规则性，即存在各种各样的缺陷：点缺陷如空位和间隙原子；线缺陷，如位错；面缺陷，如晶界和相界面等。各类缺陷都是引起声子散射的中心，因此都会减小声子平均自由程和导热系数。缺陷对总的陶瓷导热系数的影响，由与倒逆过程( Umklapp Process)的平均自由程相比较的相对声子平均自由程决定。为讨论方便起见，通常把晶体的缺陷或不完整性按其大小分为原子线度的缺陷（如杂质原子和位错）和较大尺寸的缺陷（如晶界和气孔）。由小尺寸缺陷散射的声子平均自由程很难计算，但是可近似地认为它与温度无关，而与缺陷浓度有关。

晶界对导热系数的影响，除了表现在它对声子的散射作用外，还表现在它本身的导热系数与晶粒内部的导热系数的差别上。由于相邻晶粒的位向不同，晶界的原子排列远较晶粒内部不规则和疏松，且易于聚集杂质，因此导热系数比晶粒内部低。对于多晶体来说，晶粒内部、晶界和气孔的导热系数各不相同，这三者决定了多晶体总的导热系数。减小晶界宽度、增大晶粒尺寸以减小晶体中晶界体积的百分比，以及把晶界的非晶态转化为晶态，都将使晶体材料总的导热系数增大，反之则降低。

Charvat和Kingery的研究也表明，晶界对多晶体导热系数的影响决定于晶界的宽度和它的导热系数，而晶界宽度与晶界上的杂质含量有关。

非立方结构的多晶陶瓷，由于它的热膨胀性能有明显的各向异性，因此通常在晶体中存在着微裂纹，导致导热系数减少。微裂纹的大小及数量又与晶体的热力学有关，特别是与加热温度的高低有关。要建立显微结构与导热系数之间的定量关系式是困难的，通常通过测试来确定它对导热系数的影响。

除了缺陷和显微结构以外，对于透明的物质或陶瓷材料，测试导热系数时所用的试样的大小，也会对导热系数的测试值有很大的影响。为此，测定透明物质的热导试样，一般都需要做得比较大。这样，不同研究者在测试同一种透明物质的导热系数时，由于所用试样的尺寸不同，测定的导热系数值往往不能很好地吻合。例如，高温下玻璃的导热系数数据就极不一致。

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本文“缺陷和显微结构与陶瓷导热系数的关系”由科众陶瓷编辑整理，修订时间：2019-03-16 09:40:05
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