導(dǎo)電性好的材料導(dǎo)熱性差嗎

材料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性分別用熱導(dǎo) [公式] 和電導(dǎo) [公式] 來衡量，而熱導(dǎo)一般包括兩個部分：

[公式]

其中 [公式] 表示電子熱導(dǎo)，顧名思義就是由自由電子的擴(kuò)散產(chǎn)生的熱導(dǎo)，在溫度梯度下電子會從高溫區(qū)向低溫區(qū)擴(kuò)散完成傳熱過程。電子熱導(dǎo)和材料的電導(dǎo)聯(lián)系緊密，其關(guān)系滿足Wiedemann-Franz定律：

[公式]

L是Loranz常數(shù)：L=2.45×10^-8 [公式]

即電子熱導(dǎo)部分和電導(dǎo)成正比關(guān)系。

第二部分 [公式] 稱為聲子熱導(dǎo)，與電導(dǎo)無關(guān)。所謂聲子，并不是真實(shí)的微觀粒子，而是固體材料中的晶格點(diǎn)陣的集體運(yùn)動模式，這種運(yùn)動模式和粒子很像，稱為準(zhǔn)粒子。而由晶格振動產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)就是聲子熱導(dǎo)。

聲子熱導(dǎo)滿足[公式] ,Cv是比熱，l 是聲子平均自由程，v是聲子傳播速度。直觀上也容易理解，同樣的溫度梯度下，比熱大的材料導(dǎo)熱多；而聲子平均自由程越大，表示聲子在運(yùn)動中受到的散射越少，熱傳導(dǎo)越順利；聲子傳播速度v越大，顯然傳熱也會越快。

如果是絕緣體，不導(dǎo)電沒有電導(dǎo)，也就沒有電子熱導(dǎo)，主要靠聲子熱導(dǎo)導(dǎo)熱。

這個問題還涉及到熱電材料研究的一個基本問題：在材料熱導(dǎo)和電導(dǎo)緊密關(guān)聯(lián)的前提下，如何提高熱電優(yōu)值ZT？

所謂熱電材料是指能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，這種轉(zhuǎn)換能力的高低由熱電品質(zhì)因子ZT來衡量： [公式]

這個S是賽貝克系數(shù)，用來衡量賽貝克效應(yīng)大小。賽貝克效應(yīng)是熱電效應(yīng)的一種，是指將兩種不同金屬各自的兩端分別連接，并放在不同的溫度下，就會在這樣的線路內(nèi)發(fā)生電流。塞貝克系數(shù)有一個更好理解的名字叫熱電勢，也就是由于溫度梯度產(chǎn)生的電勢差。熱電勢的物理機(jī)制有兩種：一是載流子擴(kuò)散，即由于溫度梯度載流子會從高溫端向低溫端擴(kuò)散，從而產(chǎn)生電勢差；二是聲子曳引，由于電聲子耦合，溫度梯度下聲子擴(kuò)散會拽著電子一起擴(kuò)散，從而產(chǎn)生電勢差。

我們可以看到，決定材料熱電品質(zhì)因子的三個物理量S、 [公式] 和 [公式] 之間彼此存在著相互制約的關(guān)系，要想得到高的ZT值必須提高S和 [公式] 同時降低 [公式] 。

S和電導(dǎo) [公式] 都與載流子濃度有關(guān)，載流子濃度越大電導(dǎo)越大，但S一般而言會越小，材料熱電性能隨載流子濃度的依賴關(guān)系如下圖，圖中的 [公式] 即是塞貝克系數(shù)S。同時電導(dǎo) [公式] 和 [公式] 又緊密相關(guān)，正是由于電子熱導(dǎo)和電導(dǎo)之間的正比關(guān)系使得很難在提高電導(dǎo)的同時又降低熱導(dǎo)。