晶體結構對熱導率的影響

聲子傳導與晶格振動的非諧性有關，晶體結構愈復雜，晶格振動的非諧性程度愈大，格波受到的散射愈大，因此聲子平均自由程較小，熱導率較低。例如鎂鋁尖晶石的熱導率比Al2O,和MgO的熱導率都低。莫來石的結構復雜，所以熱導率比尖晶石還低得多。對于非等軸晶系的晶體，熱導率也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大。溫度升高時不同方向的熱導率差異趨于減小，這是因為當溫度升高，晶體的結構總是趨于高的對稱性。

對于同一種物質，多晶體的熱導率總是比單晶小，圖4.1-20表示了幾種無機材料單晶和多晶體熱導率與溫度的關系。由于多晶體中晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界處雜質多，聲子易受到散射，它的平均自由程就要小得多，所以熱導率就小。另外還可以看到低溫多晶的熱導率是與單晶的平均熱導率相一致的，而隨著溫度升高，差異就迅速變大，這也說明了晶界、缺陷、雜質等在較高溫度時對聲子傳導有大的阻礙作用，同時單晶在溫度升高后比多晶在光子傳導方面有明顯的效應。

通常玻璃的熱導率較小，而隨著溫度升高，熱導率稍有增大，這是因為玻璃僅存在近程有序性，可以近似地把它看成是晶粒很小（接近晶格間距）的晶體來討論，因此它的聲子平均自由程就近似為一常數，即等于晶格間距，而這個數值是晶體中聲子平均自由程的下限（晶體和玻璃態的熱容值是相差不大的），所以熱導率就較小。圖4.1-21表示石英和石英玻璃的熱導率對于溫度的變化，石英玻璃的熱導率可以比石英晶體低三個數量級。

圖4.1-20 幾種無機材料熱導率與溫度的關系