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chemmn

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[交流] 【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 ]

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1楼2009-12-31 13:04:58

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rfvuhb

铜虫 (小有名气)

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zt970831(金币+5,VIP+0):感谢您的交流 12-31 19:12
chemmn(金币+10,VIP+0):非常感谢4L的兄弟，解释得很到位。 1-1 08:59
GrasaVampiro(金币+30):很到位，声子和电子的确是导热的主力。补充几点吧，金属里有其他元激发的话，导热问题会有少许改变，对二氧化硅，聚合物之类的绝缘体而言，孤子也会影响导热，不过对金属和金刚石，孤子就是次要的 1-25 23:25
tongling921(金币+1):3x 2010-02-02 23:48

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 ]