【求助】为什么天然物质中金刚石的热导率最高?声子,电子导热问题
Ⅱa型金刚石的热导率高达2000W/(m·K),远远高出金属中热导率最高的银和铜。
一般来讨论金属的热导率时,其影响因素和电导率是类似的,都可以认为是由自由电子决定。所以金属的热导率和电导率基本一致。那么,为什么是绝缘体的金刚石反而具有最高的热导率呢?
希望了解的朋友解答一下。
[ Last edited by GrasaVampiro on 2010-1-25 at 23:26 ]
返回小木虫查看更多
今日热帖
Ⅱa型金刚石的热导率高达2000W/(m·K),远远高出金属中热导率最高的银和铜。
一般来讨论金属的热导率时,其影响因素和电导率是类似的,都可以认为是由自由电子决定。所以金属的热导率和电导率基本一致。那么,为什么是绝缘体的金刚石反而具有最高的热导率呢?
希望了解的朋友解答一下。
[ Last edited by GrasaVampiro on 2010-1-25 at 23:26 ]
返回小木虫查看更多
导热一般是和晶格震动有关的。金刚石最硬所以导热也最好。一般固体物理的书上有讲的。
对于金刚石是绝缘体,没有自由电子。故热导率几乎全部有晶格振动相关。
看看晶格振动吧
固体中可以通过电子运动导热,也可以通过格波传播导热,前者叫电子导热,后者叫晶格导热。绝缘体和一般半导体中的热导主要贡献在于晶格导热。而晶格热传导有可以看作是“声子”扩散运动的结果。这样,可以近似的说:
绝缘体的热导率正比于材料的单位体积热容,声子声速,和声子平均自由程。
对比一下,就能发现,金刚石的声子平均自由程远高于其他非金属材料。
对于金属而言,处晶格热导外,又有电子热导部分加入。正如楼主所说的。电子热导和电导就相关了,它们的比值近似为一个常数。
既然又加入的电子热导部分,那金属的热导率怎么还没有金刚石的高呢?当然,一个直观的想法,就是金属的晶格热导远小于金刚石。我也认为是这样的。
首先看热容,常温下,电子热容比晶格热容小很多。换句话说,比较这项时,对比金刚石和金属的晶格热容也是可以的。
再看声子声速:声速近似的正比于材料的 体弹性模量,和剪切模量,而反比于材料的密度。德拜温度近似的正比于声速。比较一下金刚石和金属铜的德拜温,前者是2230,后者是343,可见在这项数据上金刚石绝对占优!!!
至于第三项,这个理论上讨论起来比较复杂。近似的说,在一般温度下(即小于德拜温,又不是低温),固体的声子平均自由程近似的是一个只与温度有关的量。
从以上分析看来,不知道是否解释了楼主的问题。我也是初学者,如果有错误,还请高手指正。先谢了!!
[ Last edited by rfvuhb on 2009-12-31 at 17:32 ],
感谢ls几位的解释,我这个外行的也能看懂
四楼的好像是物理系的吧,跟我一样,比我强多了!!!
金刚石的热导率高还与金刚石的构成碳原子的半径小有关。当然质量也小,质量小波速就大。我刚才查了一下一篇硕士论文,里面讲到金刚石的111晶面的面密度最大故平均线密度大,(得出晶格振动频率大。因为111的晶向晶格弹性振动频率大,单位频率的声子数目多,晶格振动能量越大,从而热导率大。)。
打括号的部分很是让人难以理解,至少可以肯定声子数越多热导率应该越小啊,而不是里面讲的声子数越多热导率越大。但从密度直接分析热导率倒可以理解,密度越大肯定容易热传导。
如果括号里面的表述有道理谁能够说明一下?
[ Last edited by 589124 on 2010-1-2 at 13:10 ]