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A:熱膨脹系數(shù)的概念

 

物體由于溫度改變而有脹縮現(xiàn)象。其變化能力以等壓(p一定)下，單位溫度變化所導致的長度量值的變化，即熱膨脹系數(shù)表示。

 

B:測量儀器

 

TMA

 

測試樣品：適合所有的材料

 

測試尺寸：30×7×1毫米，或者1厘米的正方形

 

TMA樣品測試圖譜：

 

 

塑料顆粒的熱膨脹系數(shù)圖譜

 

測試結果

 

82.45μm/(m•℃)表示1m長度的樣品，在0~200℃的溫度區(qū)間，每升高1℃，平均會有82.45μm的尺寸膨脹。

 

 

有機物的熱膨脹系數(shù)圖譜

 

測試結果

 

93.14μm/(m•℃)表示1m長度的樣品，在-100~140℃的溫度區(qū)間，每升高1℃，平均會有93.14μm的尺寸膨脹。

 

測試樣品：無機陶瓷、金屬材料、塑膠聚合物、建筑材料、涂層材料、耐火材料、復合材料（高溫）

 

測試尺寸：25毫米長6毫米直徑的圓柱

 

熱膨脹系數(shù)儀測試圖譜：

 

 

陶瓷的熱膨脹系數(shù)圖譜

 

測試結果

 

樣品在0-1000℃時，熱膨脹系數(shù)是3.3868μm/(m•℃)，在0-1,200℃時，熱膨脹系數(shù)是2.6344μm/(m•℃)。

 

 

環(huán)氧樹脂基板的熱膨脹系數(shù)圖

 

測試結果

 

96.2μm/(m•℃)表示1m長度的樣品，在-20~120℃的溫度區(qū)間，每升高1℃，平均會有96.2μm的尺寸膨脹。

 

C:熱膨脹系數(shù)的分類

 

熱膨脹系數(shù)有線膨脹系數(shù)α、面膨脹系數(shù)β和體膨脹系數(shù)γ。

 

對于可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數(shù)可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與原長度的比值，這就是線膨脹系數(shù)。

 

對于三維的具有各向異性的物質，有線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)之分。如石墨結構具有顯著的各向異性，因而石墨纖維線膨脹系數(shù)也呈現(xiàn)出各向異性，表現(xiàn)為平行于層面方向的熱膨脹系數(shù)遠小于垂直于層面方向。

 

D:舉例熱膨脹系數(shù)

 

線脹系數(shù)是指固態(tài)物質當溫度改變攝氏度1度時，其某一方向上的長度的變化和它在20℃（即標準實驗室環(huán)境）時的長度的比值。

 

大多數(shù)情況之下，此系數(shù)為正值。也就是說溫度變化與長度變化成正比，溫度升高體積擴大。但是也有例外，如水在0到4攝氏度之間，會出現(xiàn)負膨脹。而一些陶瓷材料在溫度升高情況下，幾乎不發(fā)生幾何特性變化，其熱膨脹系數(shù)接近0。

 

線膨脹系數(shù)分為某一溫度點的線膨脹系數(shù)和某一溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)，后者稱為平均線膨脹系數(shù)。前者是單位長度的材料每升高一度的伸長量；平均線膨脹系數(shù)是單位長度的材料在某一溫度區(qū)間，每升高一度溫度的平均伸長量。

 

熱膨脹是近年發(fā)展的。它是以一激光束掃描試樣，而不斷測定試樣在加熱過程中長度的變化。

 

E:樣品影響熱膨脹系數(shù)的因素

 

1：化學礦物組成。

 

熱膨脹系數(shù)與材料的化學組成、結晶狀態(tài)、晶體結構、鍵的強度有關。組成相同，結構不同的物質，膨脹系數(shù)不相同。通常情況下，結構緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大；而類似于無定形的玻璃，往往有較小的膨脹系數(shù)。鍵強度高的材料一般會有低的膨脹系數(shù)。

 

2：相變。

 

材料發(fā)生相變時，其熱膨脹系數(shù)也要變化。純金屬同素異構轉變時，點陣結構重排伴隨著金屬比容突變，導致線膨脹系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化。

 

3：合金元素對合金熱膨脹有影響。

 

簡單金屬與非鐵磁性金屬組成的單相均勻固溶體合金的膨脹系數(shù)介于內組元膨脹系數(shù)之間。而多相合金膨脹系數(shù)取決于組成相之間的性質和數(shù)量，可以近似按照各相所占的體積百分比，利用混合定則粗略計算得到。

 

4：織構的影響。

 

單晶或多晶存在織構，導致晶體在各晶向上原子排列密度有差異，導致熱膨脹各項異性，平行晶體主軸方向熱膨脹系數(shù)大， 垂直方向熱膨脹系數(shù)小。

 

5：內部裂紋及缺陷也會對熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響。

 

F:熱膨脹系數(shù)的應用

 

材料的熱膨脹系數(shù)是材料的一個非常重要的物理特性。幾乎任何工業(yè)設計都必須考慮材料的溫度特性，而膨脹系數(shù)就是溫度特性的重要方面（其它，如電阻溫度系數(shù)、強度、硬度、剛度隨溫度變化的特性以及一些半導體的溫度特性等）。

 

其意義舉幾個例子：

 

1.根據(jù)材料的熱膨脹，可以測量溫度，例如：液體溫度計；或根據(jù)兩種不同材料的熱膨脹系數(shù)不同可以制造雙金屬溫度計；

 

2.當零件的工作溫度與制作加工溫度不同時，設計時必須考慮其熱膨脹系數(shù)，比如工作在高溫環(huán)境下的機器零件，加工時一般是在常溫下，設計時必須考慮留出熱膨脹余量；

 

3.有些零件要求工作時緊密配合，可以根據(jù)其熱膨脹系數(shù)，安裝時加以冷凍，使之縮小，安裝完畢，恢復常溫，就會得到非常巨大的緊力。

 

4.即使是工作在常溫下的設備，也必須考慮其熱膨脹系數(shù)的影響，例如：常見的鐵軌都是露天安裝，夏天和冬天可能有40到60攝氏度的溫差，所以，過去的鐵軌每兩節(jié)之間必須留出脹縮縫。

 

總之，類似利用溫度或防止溫度變化影響零件工作的都必須考慮材料的熱膨脹影響。