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金刚石导热原理

2022-10-11 08:45:29

金刚石是立方晶体结构,每个碳原子都是以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体,因为所有的价电子都被限制在共价键区域,没有自由电子,所以金刚石不导电。高热传导性与高导电性相关联,不同于金属依靠外围电子进行传热,金刚石的热导性能基本上来自碳原子振动(即声子)的传播。

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  声子平均自由程由声子间的相互碰撞和固体中缺陷对声子的散射决定。金刚石中的杂质元素、位错和裂纹等晶体缺陷,残留金属催化剂及晶格位向等因素都会与声子发生碰撞使其发生散射,从而限制了声子的平均自由程,降低热导率。

  当物质的成分越单纯、结构越简单、杂质较少时,声子运动就越快,传热速率也就越快。这是由于第二组分和杂质的引入会引起晶格扭曲、畸变和位错,破坏晶体的完整性,增大声子或电子的散射几率。金刚石的组成只有单一元素碳,结构也十分简单,Ia、Ib、IIa及IIb 4种钻石中,IIa纯净、杂质少,因此拥有高的传热速率。

  以前购买钻石时,有人会用舌尖舔一下,如果感觉舌尖凉凉的,就是真钻;如果暖暖的,就只是玻璃。这个过程其实就是用舌尖当作探针,在宝石上做一次热导率的比较实验。因为玻璃的热导率很小,而真钻的传热速率高达玻璃的千倍以上,因此感觉灵敏的舌尖的确很容易分辨两者的差异。

  除此之外,金刚石还具有高电阻率和高击穿场强、低介电常数、低热膨胀等特点,其在高功率光电器件散热问题上具有明显优势,这也表明了金刚石在散热领域具有巨大的应用潜力。


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