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缺陷和顯微結構與陶瓷導熱系數的關系

缺陷、雜質和顯微結構對物質和陶瓷材料導熱系數的影響很大,這是由介電晶體的聲子導熱機理決定的。
        缺陷、雜質和顯微結構對物質和陶瓷材料導熱系數的影響很大,這是由介電晶體的聲子導熱機理決定的。
 
        在完全是簡諧晶格振動的理想晶體中,不存在熱阻,聲子的平均自由程和導熱系數在數值上是無窮大的。但是,每一種實際晶體的原子排列,總存在著不完整性和不規則性,即存在各種各樣的缺陷:點缺陷如空位和間隙原子;線缺陷,如位錯;面缺陷,如晶界和相界面等。各類缺陷都是引起聲子散射的中心,因此都會減小聲子平均自由程和導熱系數。缺陷對總的陶瓷導熱系數的影響,由與倒逆過程( Umklapp Process)的平均自由程相比較的相對聲子平均自由程決定。為討論方便起見,通常把晶體的缺陷或不完整性按其大小分為原子線度的缺陷(如雜質原子和位錯)和較大尺寸的缺陷(如晶界和氣孔)。由小尺寸缺陷散射的聲子平均自由程很難計算,但是可近似地認為它與溫度無關,而與缺陷濃度有關。


 
        晶界對導熱系數的影響,除了表現在它對聲子的散射作用外,還表現在它本身的導熱系數與晶粒內部的導熱系數的差別上。由于相鄰晶粒的位向不同,晶界的原子排列遠較晶粒內部不規則和疏松,且易于聚集雜質,因此導熱系數比晶粒內部低。對于多晶體來說,晶粒內部、晶界和氣孔的導熱系數各不相同,這三者決定了多晶體總的導熱系數。減小晶界寬度、增大晶粒尺寸以減小晶體中晶界體積的百分比,以及把晶界的非晶態轉化為晶態,都將使晶體材料總的導熱系數增大,反之則降低。
 
        Charvat和Kingery的研究也表明,晶界對多晶體導熱系數的影響決定于晶界的寬度和它的導熱系數,而晶界寬度與晶界上的雜質含量有關。
 
        非立方結構的多晶陶瓷,由于它的熱膨脹性能有明顯的各向異性,因此通常在晶體中存在著微裂紋,導致導熱系數減少。微裂紋的大小及數量又與晶體的熱力學有關,特別是與加熱溫度的高低有關。要建立顯微結構與導熱系數之間的定量關系式是困難的,通常通過測試來確定它對導熱系數的影響。
 
        除了缺陷和顯微結構以外,對于透明的物質或陶瓷材料,測試導熱系數時所用的試樣的大小,也會對導熱系數的測試值有很大的影響。為此,測定透明物質的熱導試樣,一般都需要做得比較大。這樣,不同研究者在測試同一種透明物質的導熱系數時,由于所用試樣的尺寸不同,測定的導熱系數值往往不能很好地吻合。例如,高溫下玻璃的導熱系數數據就極不一致。


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本文“缺陷和顯微結構與陶瓷導熱系數的關系”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時間:2019-03-16 09:40:05
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