線膨脹係數

亦稱線脹係數。固體物質的温度每升高1℃時，其單位長度的伸長量，叫做“線膨脹係數”。單位為1/℃或1/開。符號為αl。其定義式是(見圖)

即有

lt=l0（l+al△t）。

由於物質的不同，線膨脹係數亦不相同，其數值也與實際温度和確定長度1時所選定的參考温度有關，但由於固體的線膨脹係數變化不大，通常可以忽略，而將a當作與温度無關的常數。

《機械設計手冊》上有材料的線膨脹係數可供查詢。

線膨脹係數隨温度變化的規律類似於熱容的變化。a值在很低温度時很小，隨温度升高而很快增加，在德拜特徵温度以上時趨向於常數。線膨脹係數的絕對值與晶體結構和鍵強度密切相關。鍵強度高的材料具有低的線膨脹係數。相對金屬材料，耐火材料的鍵強大，線膨脹係數小。一般氧化物的α值在(8～15)×10K範圍，二元硅酸鹽物質的α值一般在(5．2～10)×10K碳化物的a值為(5～7)×10K金剛石為1×1010K石英玻璃則由於其結構鬆弛，結構中四面體的線膨脹能為結構中的空隙所容納，而具有極小的a值(0．5×1010K非等軸晶體沿不同晶軸的a值不同，尤其是石墨這類層狀結構的物質。石墨的層內結合力強，層向a值很小(1×1010K)，層間結合力很弱，層間方向a值高達27×10K對於具有很強的非等軸性的晶體，某一方向上的n值可能為負數。由各向異性多晶體組成的耐火材料和由各相a值不同的多相多晶體組成的耐火材料，在燒成冷卻過程中材料內會產生內應力。當晶界處於高的應力狀態時，材料強度降低，甚至產生微裂紋。氣孔率對耐火材料的熱膨脹特性也有影響。當氣孔使材料內顆粒間的結合變弱時，a值變小。而連續固相中的封閉小氣孔幾乎不影響a值。多相多晶和複合材料的線膨脹係數是可以根據物相組成進行計算的。所有計算公式都以各相之間在內應力作用下不產生微裂紋為前提，所以實際上是一種近似的估算，多微裂紋的耐火材料，a的實測值和計算值的偏差可以用作衡量顯微結構中缺陷數量的一種尺度。

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。

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。

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。現在已發展了定時照相的自動記錄系統。

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。

線膨脹係數是耐火材料使用時應考慮的重要性能之一。爐窯通常在常温下砌築，在高温下使用時爐體膨脹。為抵消熱膨脹造成的應力，需預留膨脹縫。線膨脹係數是預留膨脹縫和砌體總尺寸結構設計計算的關鍵參數，它與材料的抗熱震性、受熱衝擊時材料內部熱應力的分佈和大小密切相關。在複合材料和多相材料制顯造中，必須考慮其線膨脹係數的匹配和差異對結構、性能的影響。此外，通過對材料線膨脹係數隨温度變化曲線的測定，可以進行材料礦物分析、相變、微裂紋的癒合和擴展等的研究。 ^[1] 

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。

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，導致熱膨脹各向異性，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。 ^[2]