1《電氣材料基礎(chǔ)》第2章電氣材料結(jié)構(gòu)與性能22.1材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系2.2物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2.3電氣材料導電性2.4電氣材料導熱性2.5電氣材料力學性能主要內(nèi)容3電氣材料是用于電氣、電子工程領(lǐng)域中各類材料的總稱，它是電磁能量與信息的載體。根據(jù)其電磁特性和用途可主要分為電介質(zhì)絕緣材料、半導體材料、導電材料和磁性材料四大類；此外，還包括一些結(jié)構(gòu)材料和功能轉(zhuǎn)換材料以及電儲能材料。各種材料之所以具有不同的特性，是由于材料的組成與物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同所致，對此應該有深入的認識。本章將重點介紹材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及電、熱、力學性能。2.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系電氣材料學：針對電氣電子工程領(lǐng)域材料應用的交叉科學。通過探索材料的成分-組織結(jié)構(gòu)-制備合成與加工工藝-性能之間的關(guān)系，開發(fā)出新型電氣功能材料，或?qū)ΜF(xiàn)有的電氣材料進行改性。這就構(gòu)成了電氣材料研究的“四面體”關(guān)系。人們認識、開發(fā)、改善電氣材料的基礎(chǔ)，也是電氣材料在電力設(shè)備中應用要解決的基本問題——實現(xiàn)對材料性能的選擇與控制。成分：構(gòu)成電氣材料的基本元素，具體指電氣材料的化學組成及其化學計量比。組織結(jié)構(gòu)：描述材料在不同尺度的原子排列規(guī)律，具體包括四個層次：原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵（分子結(jié)構(gòu)）、原子排列方式（晶體與非晶）和組織（相態(tài)、疇結(jié)構(gòu)）。制備合成：是指由天然或人工的化學藥品合成材料的制備過程；而加工工藝是為實現(xiàn)特定性能或功能而進行的材料加工或處理。電氣材料的性能：包括電學性能（含電、磁、光等）、熱學性能（如熱導、熱膨脹、結(jié)晶等）、力學性能（如強度、塑性、韌性等）、化學性能（如抗氧化、抗腐蝕、聚合物降解等）、以及材料的老化（服役壽命預測、狀態(tài)檢測等）性能等。

化學組成是材料的固有屬性，那么電氣材料的成分是決定性能的唯一因素嗎？例如：電線電纜中常用的銅線

純銅線較為柔軟，電阻率較低；當對純銅線進行反復的彎折，銅線就會變硬變脆；持續(xù)的彎折最終會導致銅線被折斷——性能發(fā)生變化。在這個加工過程中，材料的成分沒有變化，而是內(nèi)部在肉眼不可見的微觀尺度上發(fā)生了結(jié)構(gòu)的變化，從而導致宏觀性能的變化。認識材料性能-結(jié)構(gòu)關(guān)系就可以更好的控制材料的性能。ZnO壓敏陶瓷是一種廣泛應用于瞬態(tài)過電壓抑制和浪涌吸收等非線性器件的核心材料。其電阻值具有對電壓變化很敏感的非線性電阻特性，即電壓敏特性。廣泛應用于低壓、中壓、高壓領(lǐng)域的過電壓保護中，如ZnO避雷器。ZnO避雷器利用了這種電壓敏陶瓷非線性的電壓-電流特性。應用實例：ZnO壓敏陶瓷的成分-組織結(jié)構(gòu)-制備合成與加工工藝-性能關(guān)系預擊穿區(qū)（小電流區(qū)），電流密度J=0.5~1.0mA/cm2，電阻率ρ=1010~1012??cm擊穿區(qū)

J=0.5mA/cm2~100A/cm2，

ρ=10~1010??cm；回升區(qū)

J>100A/cm2，

ρ=0.1~10??cmZnO壓敏陶瓷正常工作時處在小電流區(qū)；當浪涌電流出現(xiàn)時，隨著電壓的陡然升高，壓敏陶瓷快速導通，從而保護并聯(lián)的電力設(shè)備或電子設(shè)備；浪涌電流過后壓敏陶瓷迅速恢復在小電流工作區(qū)。ZnO陶瓷的非線性電壓-電流特性是由其化學組成、組織結(jié)構(gòu)和制備工藝決定。純ZnO陶瓷的V-I特性為線性，為使其呈非線性，需添加各種氧化物，其中最重要的是Bi2O3。將原料混合-燒結(jié)制備出ZnO陶瓷具有晶粒、晶界和富鉍晶間相的多晶組織結(jié)構(gòu)晶粒結(jié)構(gòu)為規(guī)則的六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，而晶界和富鉍晶間相結(jié)構(gòu)紊亂、化學計量比偏離和雜質(zhì)富集，在ZnO晶粒表面處形成大量受主型表面態(tài)(陷阱)表面態(tài)（陷阱）捕獲晶粒中的自由電子，在ZnO晶粒內(nèi)靠近晶界一側(cè)形成正的空間電荷區(qū)，即耗盡層，由此在晶界兩側(cè)同時形成肖特基（Schottky）勢壘。ZnO壓敏陶瓷的非線性就起因于晶粒間的Schottky勢壘。10在現(xiàn)代科技發(fā)展過程中，人們最感興趣和最為專注的努力之一就是認識物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)?；陔娮雍碗x子的量子力學與電磁相互作用理論，加深對原子、分子系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的認識；使我們能合理地解釋物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，并不斷開發(fā)出新材料和新器件。2.2物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)10石英晶振器超聲傳感器112.2.1原子的結(jié)構(gòu)1.經(jīng)典的原子模型—“殼層模型”原子的質(zhì)量集中在原子核。原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子為帶正電荷的粒子，中子為電中性的粒子，質(zhì)子和中子具有相同的質(zhì)量，1.6726

10-27kg

。核中質(zhì)子的數(shù)目即為元素的原子序數(shù)Z。

電子則環(huán)繞核運動，電子的數(shù)目與核中質(zhì)子數(shù)目相同。電子的質(zhì)量為9.1096

10-31kg，僅為質(zhì)子質(zhì)量的1/1836。12原子核的質(zhì)子之間存在庫侖斥力，但是，當兩個質(zhì)子相當接近（小于10-15m）時，在粒子間強相互作用力——核力的作用下，質(zhì)子將克服靜電斥力而聚集在一起，保持核的完整性。元素原子間因所含質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同而互稱為同位素。

例如：在氫元素中原子都含有一個質(zhì)子，但在普通氫的氫原子中不含中子，在重氫（氘）的氫原子中含有一個中子，在超重氫（氚）的氫原子中含有兩個中子。它們具有相同的核電荷數(shù)，核中質(zhì)子的數(shù)目即為元素的原子序數(shù)Z。經(jīng)典的波爾原子模型假設(shè)：只有一固定半徑的軌道是穩(wěn)定的。

例如：在氫原子中電子的最近半徑只能是0.053nm。電子穩(wěn)定地環(huán)繞固定半徑軌道運動，周期約為10-16s。13電子是帶負電荷的質(zhì)量很小的微粒，它在原子核周圍作高速運動，其運動狀態(tài)不能用經(jīng)典物理的宏觀力學來描述。只能按照量子力學用統(tǒng)計的觀點去認識電子在核外空間某個區(qū)域出現(xiàn)的機會（或幾率分布）。2.電子運動的描述在氫原子中，核外只有一個電子，該電子在核外各處空間出現(xiàn)的幾率不同。電子在原子核外出現(xiàn)的幾率分布稱為電子云。電子幾率在r=r0=0.053nm處球面上獲得最大值，r0被稱為氫原子的波爾半徑，表示電子云與原子核之間的距離。14在擁有多個電子的原子中，每個電子的能量不同，分別在不同能級的軌道上運動，能級的分布是量子化即不連續(xù)的。用量子理論描述原子中電子的運動狀態(tài)時，需要有四個稱為量子數(shù)的一組數(shù)值（n,l,m,ms），才可以完全地確定一個電子的運動狀態(tài)。主量子數(shù)n：表示電子所在主殼層的能級，是決定電子能量的主要因素。在多電子原子中，電子在原子核外按一定層次排布，這種電子的層次分布稱為電子殼層。由主量子數(shù)來區(qū)分的殼層稱為主殼層，對應于n=1,2,3,4,……依次有K，L，M，N等主殼層，如圖2-4所示。軌道量子數(shù)l

亦稱角量子數(shù)或副量子數(shù)，決定電子繞核運動的軌道動量矩。光譜實驗發(fā)現(xiàn)，在相同主量子數(shù)的殼層中，電子的能量也不完全相同，故采用軌道量子數(shù)加以區(qū)分。在每一主殼層上，由軌道量子數(shù)區(qū)分的殼層稱為亞殼層，對應于l=0，1，2，3，……又可分為s,p,d,f,……等亞殼層。15磁量子數(shù)m

決定軌道動量矩在外磁場方向的投影。用來表征電子云的空間伸展方式，即亞殼層中電子運動軌道的數(shù)目。自旋量子數(shù)ms

決定自旋動量矩在外磁場方向的投影。電子在繞核運動的同時，自身也作自旋運動。ms表示兩種不同的自旋運動。16量子理論：電子的分布由泡利不相容原理和能量最小原理來確定，并遵循洪特規(guī)則。3.原子中電子的分布17能量最小原理：當原子中電子的能量最小時，原子系統(tǒng)的能量最低，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)。原子中的所有電子總是從最內(nèi)層開始向外排列，當一個亞殼層填滿了電子后，就獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。泡利不相容原理：同一軌道上只能容納兩個自旋方向相反的電子。每個電子都具有完全不相同的一組量子數(shù)。即：不能將所有的電子填入一個亞殼層中。在n一定的主殼層上，電子最大填充數(shù)為2n2。對于給定的亞殼層，電子的最大填充數(shù)為2

(2l+1)。表示方法：以碳原子為例1s22s22p2。洪特規(guī)則：又稱最多軌道規(guī)則，即在相同的能量軌道上，電子排布將盡可能分別占居不同的軌道，并且自旋方向相同。在此規(guī)則中還有一個特例，即當同一亞層上電子排布為全充滿、半充滿或全空時，原子比較穩(wěn)定。18對于主量子數(shù)為n的殼層，以2n2個電子為全填滿狀態(tài)，則該殼層稱為閉殼層，此時電子結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

例如：在元素周期表中的惰性元素，其亞殼層被全部填滿，由閉殼層組成惰性氣體He、Ne、Ar、Kr等，具有極其穩(wěn)定的化學性能，難以參加化學反應；它們中的多數(shù)由于原子不能結(jié)合形成液體或固體，而以氣態(tài)存在。4.原子中電子的得失閉殼層外的最外亞殼層上的電子遠離原子核，在原子相互作用中扮演著最重要的角色。在化學反應中，這些電子首先與相鄰原子的外層電子發(fā)生相互作用，故最外層的電子亦稱為“價電子”，決定元素的化合價。

例如：堿金屬Li、Na、K等原子在閉殼層外有一個價電子，很容易失去這個電子而成為一價正離子，以形成穩(wěn)定的閉殼層結(jié)構(gòu)。19元素電離能（eV）元素電離能（eV）元素電離能（eV）元素電離能（eV）1H13.5956C11.26411Na5.13816S10.3572He24.5807N14.54012Mg7.64417Cl13.0103Li5.3908O13.61413Al5.98418Ar15.7554Be9.3209F17.42014Si8.14919K4.3395B8.29610Ne21.55915P11.00020Ca6.111

電離能：原子失去一個電子而成為一價正離子所需要的能量。電離能越小的原子越易形成正離子，堿金屬的電離能最小，惰性氣體的電離能最大。s2s2p1s2p2s2p3s2p4s2p5s2p6H-0.747He--0.37

Li-0.54Be--0.6B-0.2C-1.7N-0.0O-2.2F-3.63Na-0.74Mg--0.3Al-0.6Si-2.2P-0.8S-2.4Cl-3.78d10s2

Br-3.52Cu-1.0

I-3.12Ag-1.13

O=-6.5Au-2.43

S=-4.0電子親和能：原子獲得一個電子成為一價負離子時所放出的能量稱為電子親和能。親和能越大的原子越易形成負離子，例如，鹵素元素最外層容易獲得一個電子而形成一價負離子，從而使最外層形成穩(wěn)定的閉殼層結(jié)構(gòu)。電負性：表示原子吸引電子的能力，與原子失去或獲得電子的能力相關(guān)，電負性的大小正比于原子的電離能與電子親合能之和。通常規(guī)定Li元素的電負性為1，其他元素相對Li電負性的比值作為該元素的電負性。圖中綠色的電負性最弱，黃色的電負性適中，紅色的電負性最強。例如，在SF6分子中，S原子處于分子中心，F(xiàn)原子處于分子外圍，由于F的電負性強，容易從周圍捕獲電子，使SF6氣體成為強電負性氣體，廣泛用于高壓電力設(shè)備絕緣介質(zhì)。。221.分子的形成（鍵的形成）2.2.2固體中的作用力當兩個原子靠近時，相鄰原子核及價電子間產(chǎn)生相互作用，結(jié)果在原子間形成一個鍵而生成一個分子。鍵的形成意味著相連兩原子系統(tǒng)的能量必須小于兩個分離原子的能量，使分子的形成更穩(wěn)定。當兩個原子從相隔無窮遠相互靠近時，由于靜電相互作用而產(chǎn)生吸引力FA和排斥力FR；初始時吸引力大于排斥力，產(chǎn)生凈力FN作用：兩原子系統(tǒng)中力的平衡，能量E的分布？23平衡距離r0——鍵長度，最小能量E0——結(jié)合能當時，系統(tǒng)達到平衡，生成化學鍵24

結(jié)合能是將固體離解時所需要的能量，一般在0.02~10eV范圍，結(jié)合能越大，固體強度越大。當結(jié)合能減小到使原子不再受固體晶格點陣的約束而自由運動時，則由原子（離子）凝聚成的固體物質(zhì)就成為液體；如果原子間距離進一步增大，則原子間的作用力就完全消失而形成自由原子，物質(zhì)呈氣體狀態(tài)。例如：固態(tài)冰——液態(tài)水——水蒸氣

25原子相互作用結(jié)合成分子——形成固體時，起支配作用的是存在于分子內(nèi)部和分子之間的吸引力?；瘜W鍵：在分子內(nèi)部，相鄰的兩個或多個原子（或離子）之間存在的主要的、強烈的和吸引的相互作用稱為化學鍵。分子間力：在分子間存在的分子間作用力較弱，又稱范德華力。通常，分子間作用力（范德華力）比分子內(nèi)作用力（化學鍵）要小1~2個數(shù)量級。

26化學鍵可分為共價鍵、離子鍵及金屬鍵三大類?；瘜W鍵的強度可用鍵能來表示，即將一摩爾物質(zhì)的化學鍵全部析離而分解成氣態(tài)原子或離子時所需的能量，單位為J/mol。鍵能越大，分子越穩(wěn)定。2.化學鍵27兩個原子由于共同擁有部分或全部價電子而形成的鍵，稱為共價鍵。由原子中未成對且自旋方向相反的電子配對而成。共價鍵具有飽和性。（區(qū)別離子鍵）共價鍵具有方向性。（區(qū)別離子鍵）共價鍵構(gòu)成的物質(zhì)可分為分子型和原子型兩大類。共價鍵28以共價鍵為基本結(jié)構(gòu)質(zhì)點，通過分子間力聯(lián)合起來。如：甲烷CH4中的共價鍵，1個碳原子與4個氫原子共享電子；每個鍵共享2個電子；4個鍵相同且相互排斥。由分子型共價鍵組成的物質(zhì)熔點、沸點較低。例如，甲烷的熔點：-182.5℃沸點：-161.5℃分子型共價鍵29是由原子為基本結(jié)構(gòu)質(zhì)點構(gòu)成。原子間的共價鍵非常牢固，要解離這種共價鍵往往需要很大能量。例如金剛石結(jié)構(gòu)，是由C-C共價鍵組成，由于在共享的電子和原子核間存在很強的庫侖吸引力，使其在所有類型的化學鍵中具有最高鍵能。這類共價鍵物質(zhì)具有極高的熔點、沸點和硬度。例如，金剛石熔點達4000℃

原子型共價鍵30

共價鍵構(gòu)成的固體材料化學穩(wěn)定性好，幾乎不溶于所有的溶劑中。共價鍵的方向性和高的鍵能，使材料缺乏延展性，在強力作用下易發(fā)生粹、裂。共價鍵的飽和性，使價電子被束縛在原子間的鍵中，在電場作用下不能自由移動。因此，在這類材料中，電導率非常小，是良好的絕緣材料。共價鍵構(gòu)成的固體材料31金屬鍵金屬原子具有少量的價電子，易移動。當許多金屬原子堆積形成固體時，價電子會脫離單一原子而被所有離子共享。價電子離開原位置而形成電子氣或電子云，滲入離子間的空間。電子氣負電荷與金屬離子間的吸引大于將價電子移離單一原子的能量，因而形成金屬鍵。32金屬鍵性質(zhì)金屬鍵中由于電子是集體共享，因此無方向性。金屬離子趨于盡量靠近，形成密堆積晶體結(jié)構(gòu)，具有比共價鍵高的配位數(shù)。金屬鍵的無方向性，使其在外力作用下，金屬離子能產(chǎn)生相互運動，出現(xiàn)一定的缺陷，如斷層。因而，金屬具有延展性。電子氣中的自由價電子易于對外電場產(chǎn)生響應，沿電場力方向移動而形成電流，因此金屬具有高電導率。如果沿著金屬棒存在溫度梯度，由于自由電子與金屬離子的碰撞，將能量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳輸。金屬也具有良好的導熱性。氣體分子中沒有金屬鍵。33由金屬-非金屬元素構(gòu)成。原子間的相互作用產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，形成正負離子；正負離子間存在庫侖力的作用而形成離子鍵。離子鍵存在于氣體分子中，也存在于結(jié)晶固體中。

例如：在NaCl結(jié)晶體和NaCl蒸汽分子中均存在離子鍵。分別稱為“離子型結(jié)晶體”和“離子型分子”。離子鍵34當許多電離的Na和Cl原子在一起時，庫侖力使Na+、Cl-離子相互結(jié)合成固體。由于圍繞電荷的庫侖力是無方向的，故離子鍵沒有方向性。同時，離子可同時與幾個相反電荷的離子作用，并在空間三維方向延伸形成離子型晶體，故離子鍵沒有飽和性。35當凈勢能達到最小時，離子處于平衡狀態(tài)，固體穩(wěn)定。電離能約1.5eV;平衡時系統(tǒng)的最小勢能約–6.3eV將NaCl固體分離成Na和Cl原子所需的能量為6.3/2=3.15eV/原子。36許多由金屬-非金屬組成具有離子鍵的固體，被稱為離子晶體，如LiF,MgO,ZnS等，它們具有許多共同的物理性質(zhì)。強度高、易碎、熔點高（比金屬）。易溶于極性液體中，如水，形成導電離子。所有電子被嚴格束縛在離子上，沒有如金屬中的自由電子環(huán)繞在晶體中，因此離子型固體介質(zhì)是典型的絕緣體。與金屬鍵和共價鍵固體相比，離子鍵固體具有更低的熱導率。離子晶體37NaCl晶體中Na+-Cl-離子對的勢能E(r)可表示為隨離子間距r變化的函數(shù)：應用實例——NaCl晶體中離子鍵的鍵長和鍵能。式中M為常數(shù)，取決于晶體中離子的幾何排列及晶體結(jié)構(gòu)；不考慮其他離子對的影響時，M=1；對于給定的某個Na+離子，考慮最近鄰的6個Cl-離子，次近鄰的12個Na+離子和第三近鄰的8個Cl-離子等相互作用，這種排布形成的面心立方晶體結(jié)構(gòu)，M=1.748。B、m為常數(shù)，對于Na+-Cl-離子對，m=8，B=10-96J

m8。對應于晶體離子中Na+離子和Cl-離子間的平衡間距r0，離子結(jié)合能為-E(r0)，如果給定Na的電離能為5.14eV，Cl的電子親合能為3.61eV，可以計算出每摩爾NaCl晶體的原子結(jié)合能即鍵能：第一項表示吸引勢能，為Na+-Cl-離子對的庫侖相互作用能量。第二項表示排斥勢能，為Na+-Cl-離子對中由于亞殼層重疊產(chǎn)生的填充電子間的相互排斥作用能量，隨離子間距增加快速衰減383.分子間作用力（范德華力）VanderWaalsbonds,hydrogenbonding惰性元素氬Ar，在低于-189℃成為固相。水分子是電中性的，但水分子間相互吸引而形成液態(tài)（低于100℃）及固態(tài)（低于0℃

）。在以上原子、分子間存在一種較弱的吸引力，叫做范德華力，是由于一個原子中電子分布狀態(tài)與其它原子核間的靜電吸引所至。它比分子內(nèi)原子的作用力（共、離、金）要小1~2個數(shù)量級。分子間力包括取向力、誘導力、色散力。39

在有些分子中，正負電荷相等但中心不重合，形成電偶極子。分子具有極性——極性分子。偶極子間會出現(xiàn)相互吸引（頭尾）或相互排斥（頭頭、尾尾）力的作用。

極性分子間相互吸引形成vanderwaals鍵，使系統(tǒng)的能量小于分離偶極子之和。形成次級鍵——取向力。取向力40誘導力：是極性分子和非極性分子間存在的作用力。當極性分子接近非極性分子時，極性分子的偶極矩電場使非極性分子發(fā)生極化，從而產(chǎn)生正、負電荷中心不重合，形成偶極子。這種由于外來的影響而產(chǎn)生的偶極子叫誘導偶極子。由誘導偶極子產(chǎn)生的作用力稱為誘導力。誘導力41Vanderwaals力也會在中性原子和非極性分子間存在。非極性分子中的原子核和電子都在不斷地運動，不斷地改變其相對位置。在某一瞬間，分子的正、負電荷中心可能發(fā)生瞬間的不重合，產(chǎn)生瞬間偶極子。相鄰分子產(chǎn)生的瞬間偶極子間，相互取向產(chǎn)生吸引力，稱為色散力。分子型固體，冰、CO2、O2、H2、CH4分子量越大，色散力越大，熔點和沸點相應增高。在聚合物中，vanderwaals力促成了碳鏈間的結(jié)合。色散力42當氫原子與非金屬性強的原子，如氧（氟）原子以共價鍵結(jié)合成H2O或HF時，由于氧（氟）原子對電子的吸引能力較氫原子大得多，其共用電子對就強烈地偏向氧（氟）原子，而使H原子的核幾乎“裸露”出來，從而使H2O或HF分子表現(xiàn)為強極性分子。這種帶正電荷的H原子核與相鄰水分子中氧原子的孤對電子相互吸引，而在分子間形成次級鍵，稱為氫鍵。氫鍵具有飽和性與方向性。4.氫鍵435.混合鍵

在許多固體中，原子間的鍵合并非一種類型，而是存在混合鍵的作用。單晶硅中原子間形成共價鍵。兩個不同原子間形成的共價鍵具有離子特征，稱為極性共價鍵，如GaAs。陶瓷材料由金屬和非金屬元素組成，其中含有共價鍵、離子鍵，或二者的混合。如：Si3N4(共價鍵）,MgO（離子鍵）,Al2O3（混合鍵）。易碎、高熔點、電絕緣體。44鍵型典型固體鍵能eV/atom熔點(℃)彈性系數(shù)(GPa)密度(gcm-3)主要性質(zhì)離子鍵NaCl3.2801402.17一般為電絕緣體，在高溫下可導電；熱導率低于金屬；彈性系數(shù)高，堅硬易碎、可劈開。MgO1028522503.58金屬鍵Cu3.110831208.96導電體；良好的導熱性；彈性系數(shù)高，有延展性，可成型。Mg1.1650441.74共價鍵Si414101902.33良好的電絕緣體；導熱性適中；彈性系數(shù)大，堅硬、易碎，金剛石是最硬材料。C金剛石7.435508273.52分子間力PVC（范德華）-21241.3H2O冰（氫鍵）0.5209.10.917

Ar晶體（偶極子）0.09-18981.8

電絕緣體；導熱性差，熱膨脹系數(shù)大；彈性系數(shù)低，有一定延展性。各種類型鍵構(gòu)成物質(zhì)的性質(zhì)比較452.2.3晶體結(jié)構(gòu)與缺陷晶體：是原子、離子或分子按照一定的周期性在空間排列，在結(jié)晶過程中形成具有一定規(guī)則幾何外形的固體。晶體按其結(jié)構(gòu)粒子和作用力的不同可分為四類：原子晶體、離子晶體、分子晶體和金屬晶體。涉及原子或分子的最外層電子的相互作用。作用力強，有較高的熔點；反之，有較低的熔點，并且較易彎曲和變形。晶體粒子作用力熔點其他屬性實例原子晶體原子共價鍵很高硬度高金剛石、晶體硅、石英離子晶體陽離子和陰離子離子鍵高硬而脆，熔融時導電性很高氯化鈉、碳酸鈣、氧化鋁分子晶體極性分子取向力和誘導力低軟，液態(tài)時不導電或?qū)щ娦詷O低冰非極性分子色散力低軟固態(tài)稀有氣體、固態(tài)氧、干冰金屬晶體金屬陽離子和自由電子靜電引力不定金屬光澤，易導電、導熱，延展性佳鐵、銅、鋁46

晶體結(jié)構(gòu)

=點陣+原胞或晶格+晶胞晶格（點陣）：將晶體中按周期重復排列的原子（結(jié)構(gòu)單元）抽象成一個幾何格點來表示，其集合形成晶體點陣，簡稱晶格。1.晶體結(jié)構(gòu)的概念

晶胞（原胞）：一個點陣的最小周期單元，即一個陣點及相應空間位置——稱為點陣的原胞。晶格中忽略了具體結(jié)構(gòu)單元內(nèi)容，而集中反映周期重復方式。既然晶格具有周期性，只要以原胞的邊長為點陣基矢構(gòu)成平移矢量，可以把原胞復制滿空間即可反映整個晶體的原子排布。47對于同一點陣，單位晶胞的選擇有多重可能性。選擇的依據(jù)是：晶胞應最能反映出點陣的對稱性；基本矢量長度a、b、c相等的數(shù)目最多；三個方向的夾角

、

、

應盡可能為直角；單胞體積最小?！祭凭О?/p>

例如：Cu、Fe晶胞幾何形狀為a=b=c，

===90

Zn晶胞幾何形狀為a=bc，

==90，

=120晶體的許多性質(zhì)，如彈性模量、電阻率、磁化率等，都取決于晶胞的取向。48按照點陣的對稱性，可將自然界的晶體劃分為七大晶系。每個晶系最多可包括四種點陣。49（1）AB型氧化物在電子陶瓷中，常見的MgO、CaO、SrO等就是典型的AB型結(jié)構(gòu)。應用實例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)特點：氧離子在立方體的頂點和面心的位置，二價陽離子在各邊的中央和立方體的中心。這兩組離子互呈立方面心結(jié)構(gòu)。陽離子占據(jù)著全部氧八面空隙，配位數(shù)（晶格中與某一原子相距最近的原子個數(shù)）為6。50（2）AB2型氧化物

金紅石（TiO2）就是典型的AB2型氧化物。特點：晶胞是四方柱體，而不是立方體?？梢越频膶iO2看成是O2-作六方密堆集，Ti4+八面體空隙的一半，在柱體的頂點和體心位置。由六個O2-形成一個八面體，把Ti4+包圍起來。由于這種結(jié)構(gòu)，在電場作用下TiO2將產(chǎn)生很強的離子位移和電子位移極化，從而具有很高的介電常數(shù)，所以成為許多陶瓷電容器的基本原料。應用實例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)51（3）A2B3型氧化物

Al2O3就是A2B3型結(jié)構(gòu)。特點：氧離子作六方密堆集，Al3+占據(jù)八面體空隙。但是因為在Al2O3晶格中Al和O的數(shù)目比為2:3，所以只有2/3的八面體空隙被Al3+占據(jù)。[AlO6]八面體是以共有的面相連接的。這種緊密結(jié)構(gòu)和極大的離子鍵強度，使它具有很高的機械強度、硬度和化學穩(wěn)定性，成為很好的結(jié)構(gòu)材料。應用實例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)52（4）ABO3型復合氧化物

這種氧化物的晶體結(jié)構(gòu)稱為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，屬于這種結(jié)構(gòu)的有CaTiO3、BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、SrTiO3等。鈣鈦礦型復合氧化物ABO3是一種具有獨特物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的新型無機非金屬材料，A位一般是稀土或堿土元素離子，B位為過渡元素離子。這類化合物具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、獨特的電磁性能以及很高的氧化還原、氫解、異構(gòu)化、電催化等活性，作為一種新型的功能材料，在環(huán)境保護和工業(yè)催化等領(lǐng)域具有很大的開發(fā)潛力。應用實例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)53（5）B2O4型離子化合物

通式AB2O4型的離子化合物，又稱尖晶石型結(jié)構(gòu)化合物，是離子晶體中的一個大類。結(jié)構(gòu)中O2-離子作立方緊密堆積，其中A離子填充在四面體空隙中，B離子在八面體空隙中，即A2+離子為4配位，而B3+為6配位。尖晶石型化合物結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，有的可用作高溫耐火材料，有的可用作電子陶瓷材料。應用實例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)54（6）正四面體結(jié)構(gòu)

種類繁多的硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)就是硅-氧四面體。在這種四面體內(nèi)，硅原子占據(jù)中心，四個氧原子占據(jù)四角。這些四面體，依著不同的配合（以鏈狀、雙鏈狀、片狀、三維架狀方式連結(jié)），形成了各類的硅酸鹽。大多數(shù)硅酸鹽熔點高，化學性質(zhì)穩(wěn)定，是硅酸鹽工業(yè)的主要原料。硅酸鹽制品和材料廣泛應用于各種工業(yè)、科學研究及日常生活中。應用實例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)55晶格缺陷：是指晶體結(jié)構(gòu)中周期性的點陣排列規(guī)律被破壞而形成的區(qū)域結(jié)構(gòu)。理想的晶體，具有周期性的晶體結(jié)構(gòu)——長程有序。實際的晶體中，由于晶體形成條件、原子的熱運動及其它條件的影響，原子的排列不可能那樣完整和規(guī)則，往往存在偏離了理想晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域——缺陷。這些晶體中的缺陷破壞了晶體的對稱性，對晶體的物理性質(zhì)具有極其重要的影響?？煞譃辄c缺陷、線缺陷和面缺陷三種。2.晶格缺陷56（1）點缺陷——最簡單的缺陷在結(jié)點上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)正常排列的一種缺陷。點缺陷是發(fā)生在晶體中一個或幾個晶格常數(shù)范圍內(nèi)。特征：在三維方向上的尺寸都很小，例如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等，也可稱零維缺陷。點缺陷與溫度密切相關(guān)所以也稱為熱缺陷。例如：在晶體中，晶格中的原子由于熱振動能量的漲落而脫離格點移動到晶體表面的正常格點位置上，在原來的格點位置留下空位。這種空位稱為肖特基缺陷。如果脫離格點的原子跑到鄰近的原子空隙形成間隙原子時，在原來的格點位置處產(chǎn)生一個空位，填隙原子和空位成對出現(xiàn)，這種缺陷稱為弗倫克爾缺陷。

理想晶格肖特基缺陷弗倫克爾缺陷57（2）線缺陷也稱一維缺陷。指二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。特征：是兩個方向尺寸上很小另外兩個方向延伸較長。集中表現(xiàn)形式是位錯，由晶體中原子平面的錯動引起。位錯主要影響晶體的機械強度，以及對晶體中的電子和晶格振動的聲子起散射作用，使得自由電子遷移率降低。例如：刃型位錯：即晶體的一部分相對于另一部分出現(xiàn)一個多余的半原子面，這個多余的半原子面有如切入晶體的刀片。螺型位錯：即一個晶體的某一部分相對于其余部分發(fā)生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個晶面間距。刃型位錯螺型位錯58（3）面缺陷發(fā)生于整個界面上的廣延缺陷被稱作面缺陷。一塊晶體被一些界面分隔成許多較小的疇區(qū)。疇區(qū)內(nèi)具有較高的原子排列完整性，疇區(qū)之間的界面附近存在著較嚴重的原子錯排。在工程材料學中，面缺陷是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。面缺陷的種類繁多，主要有：表面、晶界、亞晶界、相界。例如：ZnO電壓敏元件的顯微結(jié)構(gòu)。由晶粒和晶界組成ZnO晶粒晶界層592.3電氣材料導電性電氣材料導電性的研究首先始于金屬，在量子力學運動規(guī)律確立以后，人們用量子力學研究金屬電導機理，進而發(fā)展起來電子能帶理論。作為研究固體中電子運動規(guī)律的理論基礎(chǔ)。能帶理論成功的說明了固體為什么有導體、半導體和絕緣體的區(qū)別。布洛赫、布里淵、朗道、莫特、佩爾斯、A.H.威爾遜、賽茲、威格納、夫倫克爾等科學家的貢獻。60根據(jù)量子力學理論，原子的能量是量子化的，由不同的分立能級軌道構(gòu)成。2.3.1.能帶的形成1.能級的分裂n=1，2，…為量子數(shù)h——普朗克常數(shù)m——電子質(zhì)量a——勢阱寬度61

例如：當兩個氫原子相互靠近形成分子時：電子與電子及另一原子核的相互作用，兩原子的波函數(shù)

1s產(chǎn)生交迭，形成兩個新的波函數(shù)，具有不同的能量和量子數(shù)，獲得新的能量低于兩倍-13.6eV。鍵的形成可用分子中的電子波函數(shù)來描述——分子軌道

；當兩原子的波函數(shù)干涉時，產(chǎn)生同相交迭和異相交迭，形成兩個分子軌道

和

*能帶的形成首先源于能級的分裂，我們以氫分子H2的形成為例，來簡單說明這一過程。62分子軌道的形成兩個相同原子波函數(shù)結(jié)合生成兩個不同分子軌道——成鍵分子軌道和反鍵分子軌道。63

當兩個原子結(jié)合時，兩個相同的原子波函數(shù)結(jié)合生成兩個不同的分子軌道，每個軌道具有不同的能量。反鍵分子軌道比成鍵分子軌道具有更高的能量。即一個原子的能級，如E1s,分裂成兩個能級E

和E*，這種分裂是由于原子軌道間的相互作用（交迭）所致。在分子形成時原子能級的分裂，類似于兩個RLC電路偶合時諧振頻率的分裂。單一RLC電路的諧振頻率為

0

，兩RLC電路的諧振頻率為

1、

2

，有

1<

0<2請大家自行推導出

1、

0、2，并通過對比分析，理解其物理意義。65當三個氫原子結(jié)合時，產(chǎn)生三個分子軌道，

a、

b、

c66上圖可用波函數(shù)表示為：

1s(A)

、

1s(B)

、

1s(C)分別表示環(huán)繞A、B、C原子的1s原子波函數(shù)。例如

1s(A)

，表示為

1s(rA)，具有exp(-rA/a0)形式。對應的能量Ea、Eb、Ec

可通過薛定諤方程得出，并具有不同值。因此，1s能級分裂成三個分離的能級。

與氫原子中的電子波函數(shù)類似，如果分子波函數(shù)的節(jié)點越多，則能量越大。故有Ea<Eb<Ec

試比較H2

分子和H3分子的穩(wěn)定性。67Li原子的電子排列為1s22s1,由于K殼層已占滿，第三個電子獨自處于2s軌道上。同前所述，原子能級可分裂為N個分離的能級。由于1s亞殼層上電子占滿且靠近核，受原子間相互作用的影響小，其能級的分裂可忽略。1s上的電子留在原子核周圍，可不考慮其對固體形成的作用。能級分裂的最大寬度，取決于固體中原子間的最小距離a

，N個

2s軌道相互作用產(chǎn)生的N個分裂能級分布在EB和ET之間。N相當大（~1023）時，相鄰分裂能級間間隔非常小，幾乎是連續(xù)的。N個Li原子排列構(gòu)成固態(tài)金屬Li68

單個2s能級E2s分裂成N個細微分離的能級而形成能帶，該能帶為半滿帶。

N個Li原子構(gòu)成的固態(tài)Li中形成的2s能帶69假設(shè)：

1）固體中的原子核是固定在平衡位置上，而且按一定的周期性在晶體中排列；

2）每個電子是在固定的原子核勢場及其他電子的平均勢場中運動，即固體中的電子不再束縛于個別的原子，而是在整個固體中運動。2.電子的共有化運動——電子在周期性勢場中的運動規(guī)律這樣將問題簡化成單電子問題，稱為單電子近似法。用這種方法求出的電子在晶體中的能量狀態(tài)將不再是分立的能級而是能帶。70兩個Na原子相距較遠時，能級如同兩個孤立原子被一個高而寬的勢壘相隔，電子只在各自的原子內(nèi)部運動，其能量為分立能級。兩個原子靠的很近時，原子勢場相互影響，勢壘寬度減小高度降低，原來處于較高能級上的電子可能穿透勢壘或越過勢壘，形成電子的共有化運動。71N個Na原子組成的一維晶體，每個原子中都有一個電子處在能量為E0的3s能級上，都要受到周圍原子勢場的作用，產(chǎn)生附加能量，使E0能級分裂為N個相互靠的很近的能級，組成一個能帶。72當N個Na原子結(jié)合成晶體后，原孤立原子中的每個能級都形成能帶。處于低能級上的電子，共有化運動很弱，基本上處于被各自原子所束縛的狀態(tài)，能級分裂的很少，能帶很窄。高能級上的電子，即外殼層上電子，特別是價電子，共有化運動顯著，能級分裂很多，形成較寬能帶。分裂成的能帶稱為允帶，允帶之間不存在能級的區(qū)域稱為禁帶。73原子軌道、原子能級與能帶

量子力學證明：晶體中電子的共有化的結(jié)果，使原先每個原子中具有相同的價電子能級，因各原子的相互影響而分裂成為一系列和原來能級很接近的新能級，這些新能級基本上連成一片而形成能帶。

742.3.2導體、絕緣體和半導體的能帶論問題的提出：所有固體都包含有大量的電子，但不同固體中的電子導電性能有很大差異。有些固體電子導電性能很好（金屬導體），有些導電性能卻不好（半導體），還有些基本上觀察不到任何的電子導電現(xiàn)象（絕緣體）。？？？固體能帶論的一個主要貢獻就是成功地解釋了這個問題。75能帶的填充與導電性若固體由N個原子組成，則每個能帶內(nèi)有N個能級，按泡利不相容原理，可容納2N個電子。所有能級全部被電子所填充的能帶叫滿帶，部分能級為電子所填充的能帶叫不滿帶。在外電場的作用下，只有部分填充的能帶中的電子才有導電能力，而滿帶電子是不導電的。此為區(qū)別導體、半導體和絕緣體的依據(jù)。76導體、絕緣體和半導體的能帶

由原子序數(shù)為Z的N個原子構(gòu)成的晶體中，有ZN個核外電子；按泡利不相容原理和能量最小原理，從低能值的允帶開始按順序填充到各個能帶內(nèi)，形成右圖的不同能帶結(jié)構(gòu)。絕緣體、導體和半導體的能帶模型77半導體——結(jié)構(gòu)同絕緣體，但禁帶寬度較窄，一般小于3eV。電子易受熱激發(fā)到空帶（導電），同時產(chǎn)生空穴電流。例如：Ge和Si的禁帶寬度分別為0.74eV和1.17eV。

導體——除滿帶外還存在不滿帶（導帶），導帶以下的第一個滿帶稱為價帶。

例如：堿金屬（Li，Na，K），最外層1個電子，形成半滿帶,

堿土金屬（Mg），最外層2個電子，能帶交迭導致不滿帶絕緣體——最低的一系列能帶被填滿，而其上的能帶則完全空（空帶），且禁帶寬度較寬，大于3eV。782.3.3缺陷能級實際晶體中的缺陷——來源于結(jié)晶的不完整與外來雜質(zhì)。結(jié)構(gòu)缺陷包括點缺陷、線缺陷和面缺陷；外來雜質(zhì)缺陷則有替位與填隙兩種，一般都屬于點缺陷。常見的點缺陷有弗蘭凱爾缺陷和肖特基缺陷——晶格原子在熱作用下脫離結(jié)點位置產(chǎn)生，稱為本征缺陷。缺陷濃度隨溫度升高而增加。當晶體中存在缺陷時，將在禁帶中引入附加能級——缺陷能級。缺陷能級可分為淺能級和深能級。淺能級指離導帶比較近即電離能比較小的能級，深能級則指離導帶較遠即電離能較大的能級。淺能級易于釋放電子（或空穴）到導帶（或價帶），成為導電載流子；而深能級則不易放出電荷，成為俘獲電子或空穴的中心，稱為俘獲能級或俘獲中心，又稱陷阱能級。79

雜質(zhì)態(tài)類型——施主與受主施主——雜質(zhì)提供帶有電子的能級。

依靠電子導電，如n型半導體摻P受主——雜質(zhì)提供禁帶中空的能級。依靠空穴導電，p型半導體摻Al應用實例——半導體中的缺陷能級在半導體中，電子除共有化狀態(tài)外，還存在一定數(shù)目的束縛狀態(tài)，這是由雜質(zhì)或缺陷引起；電子被缺陷所束縛，也具有確定能級；雜質(zhì)能級處在禁帶中間。80幾點假設(shè)：1）粒子的能量為量子化——能級。

2）電子為相同粒子，即粒子是不能相互區(qū)別的。

3）電子遵守泡利不相容原理——同一能級上只有兩個自旋方向相反的電子。

費米能級EF

從量子力學——到粒子的量子效應——產(chǎn)生量子統(tǒng)計學由此，費米——狄拉克導出了電子按能量分布的統(tǒng)計規(guī)律：

表示一個電子站據(jù)能量為E的能級的幾率。其中EF稱為費米能級。

81物理意義T=0時82T>0時,導熱性是電氣材料的基本屬性之一，屬于熱物理學范疇?；靖拍钍菧囟群蜔崃俊Ｔ缙凇盁豳|(zhì)說”——近期“熱平衡定律”溫度的概念：在不受外界影響情況下，A、B同時與C處于熱平衡，即使A和B沒有熱接觸仍處于熱平衡狀態(tài)，即互為平衡的物體之間必定存在一個相同的特征——溫度相同。熱量的傳遞：總是從高溫物體傳到較冷的物體，熱量的傳遞方式：傳導、對流和輻射。熱能傳輸是一個無規(guī)過程，在固體中熱量以熱傳導的方式傳輸，能量以擴散方式傳播，同時受到頻繁的粒子碰撞。金屬往往既是電的良導體也是熱的良導體。金屬中可自由運動的導帶電子對熱的傳導起著一定作用，但對其它材料則不然。其熱傳導可由電子氣（導帶自由電子）的運動和晶格振動來共同完成。在非金屬中的熱傳導則只是由于晶格振動（聲子）。2.4電氣材料導熱性2.4.1熱傳導的一維聲子模型晶體材料中晶格原子并非靜止，圍繞平衡位置不斷振動；原子的振動不彼此獨立，通過相互作用力而團聚。晶格原子之間的相互作用力可以近似為彈性力，如果把晶體看為許多規(guī)則排列的小球由彈簧連接從而每個晶格原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播。晶格振動是系列基本振動的疊加，每種基本振動模式就是一種具有特定頻率、波長和傳播方向的彈性波。整個系統(tǒng)相當于由系列相互獨立的諧振子構(gòu)成，晶格振動的能量是量子化的，稱為聲子。2.4.1熱傳導的一維聲子模型單原子鏈可以看作最簡單的一維晶格結(jié)構(gòu)，如果原子的振動近似簡諧：假設(shè)只有相鄰原子之間存在相互作用。相互作用勢能V(x)可以表示為：相鄰原子間的作用力：

a—平衡狀態(tài)原子間距；β—彈性常數(shù)；δ—相對平衡位置的偏移距離。表明相鄰原子間的彈性恢復力與相對位移成正比。2.4.1熱傳導的一維聲子模型

原子n與(n-1)的相對位移

n

n-1，恢復力為-

(

n

n-1)原子n與(n+1)的相對位移

n+1

n，恢復力為為-

(

n+1

n)考慮到兩個力作用方向相反，得到原子n的運動方程為

相鄰原子間的作用力。每個原子對應一個運動方程，則具有N個原子的原子鏈有N個方程。

該方程格波形式的解：

其中ω為頻率，A為幅值，q為波數(shù)。代入上式2.4.1熱傳導的一維聲子模型

2.4.1熱傳導的一維聲子模型由N個原子組成的鏈中，q可以取N個不同的值，每個q對應一個格波，共有N個不同的格波，所以這種諧振子的能量是量子化的。晶格熱運動系統(tǒng)可以看成是“聲子氣體”

，聲子并不攜帶物理動量，當樣品內(nèi)存在溫度梯度時，“聲子氣體”的密度分布是不均勻的，高溫處聲子密度高，低溫處聲子密度低，因而聲子氣體在無規(guī)運動的基礎(chǔ)上產(chǎn)生平均的定向運動，即聲子的擴散運動。聲子的定向運動就意味著熱量的傳遞，傳遞的方向即為聲子平均的定向運動的方向。因此晶格熱傳導可以看成是聲子擴散運動的結(jié)果。晶體材料熱導率與聲子在材料中的傳導密切相關(guān)。將一塊金屬的一端加熱，在加熱區(qū)域原子的振動幅度與電子的平均動能均會增加。如電子與原子發(fā)生碰撞，電子從原子中獲得能量。隨著電子隨機運動增加，這些獲得能量的電子遷移并與原子不斷碰撞。電子將其多余的能量傳遞至冷區(qū)，因此電子為“能量的載體”。2.4.2熱導率金屬中的熱傳導：原子上箭頭線的長度表示原子振動的幅度；長的速度矢量表示能量較多的電子，其從熱區(qū)向冷區(qū)擴散過程中與晶格振動碰撞并傳輸能量。如果加熱金屬桿的一端，熱量將從熱的一端流向冷的一端。實驗表明：通過厚度為

x的薄截面的熱流速率與溫度梯度

T/

x

及其截面面積A成正比式中κ為與材料有關(guān)的比例常數(shù)，稱之為熱導率。負號表示熱流的方向為溫度降低的方向。上式被稱為熱傳導的傅里葉定律，亦為κ的定義公式，熱流的驅(qū)動力是溫度梯度δT/δx。1.金屬的熱導率與電流I歐姆定律相比較，——可見在此情況下，其驅(qū)動力為電位梯度δV/δx，即電場強度——在金屬中，電子參與電荷與熱的傳導過程，其相關(guān)系數(shù)分別為（電導率）和

（熱導率）。因此，不難發(fā)現(xiàn)這兩個系數(shù)可由威德曼-弗朗茲-洛倫茲定理相關(guān)聯(lián)，即為一常數(shù)，稱為洛倫茲系數(shù)。上述定理的討論：？1.金屬的熱導率1.金屬的熱導率對于從純金屬到合金等多種金屬的熱導率和電導率，威德曼-弗朗茲-洛倫茲定理，在室溫及其以上溫度均適用。由于純金屬的電導率反比于溫度，可以推斷這些金屬的熱導率在室溫及其以上溫度范圍不隨溫度發(fā)生變化。銅鋁兩種金屬，溫度高于100K時熱導率基本不隨溫度變化，即熱導率κ為常數(shù)。表明熱導從本質(zhì)上取決于電子在碰撞過程中將能量從一個原子振動轉(zhuǎn)移到另一個原子振動的速度。各種金屬在20℃下的熱導率與電導率的關(guān)系純金屬（銅和鋁）和合金（青銅與Al-14%Mg）熱導率與溫度的關(guān)系2.非金屬的熱導率在非金屬的晶格中缺少自由的導帶電子將能量從熱區(qū)傳輸?shù)嚼鋮^(qū)，因此在非金屬中能量的轉(zhuǎn)移主要取決于晶格的振動，亦即晶格中原子的振動。將晶體中的原子及其鍵合看成由彈簧連接在一起的小球，從分子動力學可知，在一定溫度下所有原子都產(chǎn)生振動，且平均振動動能與溫度成正比。絕緣體中的熱導通過耦合原子的化學鍵來產(chǎn)生和傳播原子振動2.非金屬的熱導率

熱量傳輸?shù)挠行圆粌H依賴于原子之間的耦合即原子間的鍵合，也與晶體中振動波的傳播方式、晶體缺陷的散射以及與振動波的相互作用有關(guān)。通常，強的鍵合將導致高的熱導率。例如，金剛石具有強的共價鍵也具有很高的熱導率，κ≈1000W·m-1·K-1；而高分子聚合物在聚合鏈間具有弱的二次鍵合，它們的熱導性能很差，一般κ＜1W·m-1·K-1。9595當溫度垂直梯度為1℃/m時，單位時間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞的熱量，或稱“導熱系數(shù)”——

。物質(zhì)導熱能力的量度。單位為瓦特·米-1·開-1（W·m-1·K-1）導熱系數(shù)小的保溫材料導熱系數(shù)大的導熱絕緣材料E是在時間t內(nèi)所傳遞的能量，A為截面積，l為長度，θ2和θ1分別為兩個截面的溫度。2.非金屬的熱導率純金屬

(W·m-1·K-1)合金

(W·m-1·K-1)陶瓷玻璃

(W·m-1·K-1)聚合物

(W·m-1·K-1)銀420硬鋁147金剛石～1000高密度聚乙烯0.5銅39063%銅-37%鋅125氧化鈹（BeO）260低密度聚乙烯0.3鋁25095%銅-5%錫80藍寶石（Al2O3）37聚四氟乙烯0.25鎢1781080鋼50氧化鋁（Al2O3）30尼龍6,60.24鋅11370%鎳-30%銅25氮化硅（Si3N4）20聚碳酸酯0.22鐵8055%銅-45%鎳19.5熔融石英(SiO2)1.5聚氯乙烯0.17鈮52不銹鋼12～16陶瓷玻璃0.75聚丙烯0.12各種電氣材料的熱導率（25℃）

不同材料具有不同的熱導率κ值，其中熱導率κ與溫度T的關(guān)系也不盡相同。通過某一部件的導熱模型對于一個長度L，兩端溫度差為△T的部件，如圖所示，其溫度梯度為

T/L由傅里葉定律，其熱流的速率為與電阻類似，可以定義熱阻θ如下式，根據(jù)熱導率，可得材料的熱阻，2.4.3熱阻9898材料熱學性能的物理本質(zhì)均與晶格熱振動有關(guān)。晶體點陣中的質(zhì)點（原子、離子）總是圍繞平衡位置做微小振動，稱為晶體的晶格熱振動。晶格熱振動的強烈程度與溫度有關(guān)。材料熱學性能表征：熱容：是物體溫度升高1K所需要增加的能量。（單位：J/K）熱容與物質(zhì)的性質(zhì)、所處的狀態(tài)及傳遞熱量的