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热膨胀系数

物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(p一定)下,单位温度变化所导致的长度量值的变化,即热膨胀系数表示。各物体的热膨胀系数不同,一般金属的热膨胀系数单位为1/度(摄氏)。

线胀系数是指固态物质当温度改变摄氏度1度时,其某一方向上的长度的变化和它在20℃(即标准实验室环境)时的长度的比值。

大多数情况之下,此系数为正值。也就是说温度变化与长度变化成正比,温度升高体积扩大。但是也有例外,如在0到4摄氏度之间,会出现负膨胀。而一些陶瓷材料在温度升高情况下,几乎不发生几何特性变化,其热膨胀系数接近0。

量度固体材料热膨胀程度的物理量。是单位长度、单位体积的物体,温度升高1℃时,其长度或体积的相对变化量。可用平均线膨胀系数α或平均体积膨胀系数β表示: [1]

式中L、V分别为试样原始长度(mm)和原始体积(mm3),ΔL、ΔV分别为温度由t1(℃)上升到t2(℃)时试样的相对伸长和体积的变化量。在一般情况下,β≈3α,因此实用上采用线膨胀系数α来表示。它随材料的组成和温度的变化而异,是固体材料受热冲击时反映其性能变化的物理参数。

膨胀系数线膨胀系数α、面膨胀系数β和体膨胀系数γ。

对于可近似看做一维的物体,长度就是衡量其体积的决定因素,这时的热膨胀系数可简化定义为:单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值,这就是线膨胀系数

对于三维的具有各向异性的物质,有线膨胀系数和体膨胀系数之分。如石墨结构具有显著的各向异性,因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性,表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。

有时也称为线弹性系数(linear expansivity),表示材料膨胀或收缩的程度。分为某一温度点的线膨胀系数和某一温度区间的线膨胀系数,后者称为平均线膨胀系数。前者是单位长度的材料每升高一度的伸长量;平均线膨胀系数是单位长度的材料在某一温度区间,每升高一度温度的平均伸长量。 [2]

耐火材料线膨胀系数的常用测量方法是顶杆式间接法和望远镜直读法。新的激光法测定线膨胀系数也越来越受到重视。

顶杆法是一种经典方法,采用机械测量原理,即将试样的一端固定在支持器的端头上,另一端与顶杆接触,试样、支持器和顶杆同时加热,试样与这些部件的热膨胀差值被顶杆传递出来,并被测量。这类仪器由于试样位置(立式或卧式)、膨胀量的测量方法(直接测量、电子或光学方法)而区分成多种型号的仪器。应用较普遍的是电感式膨胀仪。它的传感器是差动变压器,也称差动变压器热膨胀仪。由于顶杆和支持器尺寸较长,高温炉的加热条件难于使温度分布均匀一致,顶杆和支持器之间的膨胀量难以相互抵消,所以膨胀的测量值需要校正。 [3]

望远镜直读法是用双筒望远镜直接观察炉内高温下试样膨胀的变化值,通过计算得到线膨胀系数。测量温度可高达2000℃,目镜上的测微计直接测量试样伸长量。所用试样较长,加热炉要有足够的恒温带。该方法的缺点是一般不易自动记录。

热膨胀是近年发展的。它是以一激光束扫描试样,而不断测定试样在加热过程中长度的变化。由于测量精度高、计算机组成的全自动控制、记录和多功能系统而受到欢迎。选择热膨胀测量方法时主要考虑测试范围、待测材料的种类和特性、测量精度和灵敏度等。

热膨胀与热容的关系

热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀,而晶格振动的激化就是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量即为热容。因此热膨胀系数与热容密切相关,并与热容有着相似的规律。即在低温时,膨胀系数也像热容一样按T3规律变化,0 K时,α、c趋于零;高温时,因有显著的热缺陷等原因,使α仍有一个连续的增加。图为Al2O3的热膨胀系数和热容随温度变化的关系曲线,从图中可看出,在宽广的温度范围内,这两条曲线近似平行,变化趋势相同。

热膨胀与结合能和熔点的关系

固体材料的热膨胀与点阵中质点的位能有关,而质点的位能是由质点间的结合力特性所决定的。质点间的作用力越强,质点所处的势阱越深,升高同样温度,质点振幅增加得越少,相应地热膨胀系数越小。当晶体结构类型相同时,结合能大的材料的熔点也高,也就是说熔点高的材料膨胀系数较小。

1:化学矿物组成。

热膨胀系数与材料的化学组成、结晶状态、晶体结构、键的强度有关。组成相同,结构不同的物质,膨胀系数不相同。通常情况下,结构紧密的晶体,膨胀系数较大;而类似于无定形的玻璃,往往有较小的膨胀系数。键强度高的材料一般会有低的膨胀系数。 [4]

2:相变。

材料发生相变时,其热膨胀系数也要变化。纯金属同素异构转变时,点阵结构重排伴随着金属比容突变,导致线膨胀系数发生不连续变化。

3:合金元素对合金热膨胀有影响。

简单金属与非铁磁性金属组成的单相均匀固溶体合金的膨胀系数介于内组元膨胀系数之间。而多相合金膨胀系数取决于组成相之间的性质和数量,可以近似按照各相所占的体积百分比,利用混合定则粗略计算得到。

4:织构的影响。

单晶多晶存在织构,导致晶体在各晶向上原子排列密度有差异,导致热膨胀各项异性,平行晶体主轴方向热膨胀系数大, 垂直方向热膨胀系数小。

5:内部裂纹及缺陷也会对热膨胀系数产生影响。

测定温度条件及单位:20℃,(单位1E-6 /K或1E-6 /℃)

金属名称

元素符号

线性热膨胀系数

金属名称

元素符号

线性热膨胀系数

Be

12.3

Al

23.2

Sb

10.5

Pb

29.3

Cu

17.5

Cd

41.0

Cr

6.2

Fe

12.2

Ge

6.0

Au

14.2

Ir

6.5

Mg

26.0

Mn

23.0

Mo

5.2

Ni

13.0

Pt

9.0

Ag

19.5

Sn

2.0

测定温度条件:20℃,单位:1/℃(1/K)

汞(水银)

0.00018

0.000208

丙三醇(甘油)

0.00050

浓硫酸

0.00055

乙二醇

0.00057

苯胺

0.00085

二甲苯

0.00085

汽油

0.00095

松节油

0.00100

煤油

0.00100

甲苯

0.00108

乙醇(酒精)

0.00109

乙酸

0.00110

0.00110

正辛烷

0.00114

三氯乙烯

0.00117

甲醇

0.00118

二硫化碳

0.00119

四氯化碳

0.00122

正庚烷

0.00124

0.00125

氯仿

0.00127

乙酸乙酯

0.00138

丙酮

0.00143

乙醚

0.00160

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