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熱膨脹係數

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物體由於温度改變而有脹縮現象。其變化能力以等壓(p一定)下,單位温度變化所導致的長度量值的變化,即熱膨脹係數表示。各物體的熱膨脹係數不同,一般金屬的熱膨脹係數單位為1/度(攝氏)。
線脹係數是指固態物質當温度改變攝氏度1度時,其某一方向上的長度的變化和它在20℃(即標準實驗室環境)時的長度的比值。
大多數情況之下,此係數為正值。也就是説温度變化與長度變化成正比,温度升高體積擴大。但是也有例外,如在0到4攝氏度之間,會出現負膨脹。而一些陶瓷材料在温度升高情況下,幾乎不發生幾何特性變化,其熱膨脹係數接近0。
中文名
熱膨脹係數
外文名
coefficient of thermal expansion
領    域
金屬學、冶金學
作    用
量度固體材料熱膨脹程度
分    類
線膨脹係數、體膨脹係數等
符    號
α

熱膨脹係數介紹

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量度固體材料熱膨脹程度的物理量。是單位長度、單位體積的物體,温度升高1℃時,其長度或體積的相對變化量。可用平均線膨脹係數α或平均體積膨脹係數β表示: [1] 
式中L、V分別為試樣原始長度(mm)和原始體積(mm3),ΔL、ΔV分別為温度由t1(℃)上升到t2(℃)時試樣的相對伸長和體積的變化量。在一般情況下,β≈3α,因此實用上採用線膨脹係數α來表示。它隨材料的組成和温度的變化而異,是固體材料受熱衝擊時反映其性能變化的物理參數。

熱膨脹係數分類

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膨脹係數線膨脹係數α、面膨脹係數β和體膨脹係數γ。
對於可近似看做一維的物體,長度就是衡量其體積的決定因素,這時的熱膨脹係數可簡化定義為:單位温度改變下長度的增加量與的原長度的比值,這就是線膨脹係數
對於三維的具有各向異性的物質,有線膨脹係數和體膨脹係數之分。如石墨結構具有顯著的各向異性,因而石墨纖維線膨脹係數也呈現出各向異性,表現為平行於層面方向的熱膨脹係數遠小於垂直於層面方向。

熱膨脹係數線膨脹係數

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有時也稱為線彈性係數(linear expansivity),表示材料膨脹或收縮的程度。分為某一温度點的線膨脹係數和某一温度區間的線膨脹係數,後者稱為平均線膨脹係數。前者是單位長度的材料每升高一度的伸長量;平均線膨脹係數是單位長度的材料在某一温度區間,每升高一度温度的平均伸長量。 [2] 
耐火材料線膨脹係數的常用測量方法是頂杆式間接法和望遠鏡直讀法。新的激光法測定線膨脹係數也越來越受到重視。

熱膨脹係數頂杆式間接法

頂杆法是一種經典方法,採用機械測量原理,即將試樣的一端固定在支持器的端頭上,另一端與頂杆接觸,試樣、支持器和頂杆同時加熱,試樣與這些部件的熱膨脹差值被頂杆傳遞出來,並被測量。這類儀器由於試樣位置(立式或卧式)、膨脹量的測量方法(直接測量、電子或光學方法)而區分成多種型號的儀器。應用較普遍的是電感式膨脹儀。它的傳感器是差動變壓器,也稱差動變壓器熱膨脹儀。由於頂杆和支持器尺寸較長,高温爐的加熱條件難於使温度分佈均勻一致,頂杆和支持器之間的膨脹量難以相互抵消,所以膨脹的測量值需要校正。 [3] 

熱膨脹係數望遠鏡直讀法

望遠鏡直讀法是用雙筒望遠鏡直接觀察爐內高温下試樣膨脹的變化值,通過計算得到線膨脹係數。測量温度可高達2000℃,目鏡上的測微計直接測量試樣伸長量。所用試樣較長,加熱爐要有足夠的恆温帶。該方法的缺點是一般不易自動記錄。

熱膨脹係數激光法測量

熱膨脹是近年發展的。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。由於測量精度高、計算機組成的全自動控制、記錄和多功能系統而受到歡迎。選擇熱膨脹測量方法時主要考慮測試範圍、待測材料的種類和特性、測量精度和靈敏度等。

熱膨脹係數相關因素

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熱膨脹與熱容的關係
熱膨脹是固體材料受熱以後晶格振動加劇而引起的容積膨脹,而晶格振動的激化就是熱運動能量的增大。升高單位温度時能量的增量即為熱容。因此熱膨脹係數與熱容密切相關,並與熱容有着相似的規律。即在低温時,膨脹係數也像熱容一樣按T3規律變化,0 K時,α、c趨於零;高温時,因有顯著的熱缺陷等原因,使α仍有一個連續的增加。圖為Al2O3的熱膨脹係數和熱容隨温度變化的關係曲線,從圖中可看出,在寬廣的温度範圍內,這兩條曲線近似平行,變化趨勢相同。
熱膨脹與結合能和熔點的關係
固體材料的熱膨脹與點陣中質點的位能有關,而質點的位能是由質點間的結合力特性所決定的。質點間的作用力越強,質點所處的勢阱越深,升高同樣温度,質點振幅增加得越少,相應地熱膨脹係數越小。當晶體結構類型相同時,結合能大的材料的熔點也高,也就是説熔點高的材料膨脹係數較小。

熱膨脹係數影響因素

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1:化學礦物組成。
熱膨脹係數與材料的化學組成、結晶狀態、晶體結構、鍵的強度有關。組成相同,結構不同的物質,膨脹係數不相同。通常情況下,結構緊密的晶體,膨脹係數較大;而類似於無定形的玻璃,往往有較小的膨脹係數。鍵強度高的材料一般會有低的膨脹係數。 [4] 
2:相變。
材料發生相變時,其熱膨脹係數也要變化。純金屬同素異構轉變時,點陣結構重排伴隨着金屬比容突變,導致線膨脹係數發生不連續變化。
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係數介於內組元膨脹係數之間。而多相合金膨脹係數取決於組成相之間的性質和數量,可以近似按照各相所佔的體積百分比,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係數大, 垂直方向熱膨脹係數小。
5:內部裂紋及缺陷也會對熱膨脹係數產生影響。

熱膨脹係數金屬膨脹係數

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測定温度條件及單位:20℃,(單位1E-6 /K或1E-6 /℃)
金屬名稱
元素符號
線性熱膨脹係數
金屬名稱
元素符號
線性熱膨脹係數
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

熱膨脹係數液體膨脹係數

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測定温度條件:20℃,單位:1/℃(1/K)
汞(水銀)
0.00018
0.000208
丙三醇(甘油)
0.00050
濃硫酸
0.00055
乙二醇
0.00057
苯胺
0.00085
二甲苯
0.00085
汽油
0.00095
松節油
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
參考資料
  • 1.    周虎.龍泉青瓷熱膨脹係數測試用釉棒的製備方法[J].中小企業管理與科技(中旬刊),2017(12):154-155.
  • 2.    張明豔,高升,吳子劍,崔宏玉,高巖.共聚製備低熱膨脹透明聚酰亞胺薄膜[J/OL].材料科學與工藝:1-7[2018-01-06].
  • 3.    李輝. 單層石墨烯熱膨脹係數的分子動力學研究[D].西南科技大學,2017.
  • 4.    申詩典. 基於XCT技術的陶瓷基複合材料熱膨脹係數預測[D].南京航空航天大學,2017.