第三讲-材料的热膨胀

第一章材料的热学性能顾修全中国矿业大学材料科学与工程学院本章内容热容热膨胀热传导热稳定性第二节材料的热膨胀热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用1.热膨胀的物理本质什么是热膨胀？热膨胀系数热膨胀的物理本质热膨胀系数tlll01dtdlltt1lV3温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。平均线膨胀系数微分线膨胀系数体膨胀系数cbaVttt1t2各向同性各向异性dtdVVtV1部分材料的线性膨胀系数材料名称αl/10-6K-1温度范围AlTiCrFeNiCuWInvar合金6Ni-Fe铸铁黄铜SiAl2O3SiCSi3N4石英玻璃24.99.210.6016.717.117.185.190~210.5~1218.5~216.958.84.72.70.5303~573153~1133523~753303~1123693~12633731573293~373273~473293~573273~373273~1273273~1273273~1273273~1273某些无机材料的热膨胀系数与温度之间的关系无机材料的线膨胀系数一般都不大物理本质（作用力曲线解释）原子热振动是非线性的！温度升高，原子振动激烈。原子向右移动的幅度更大一些，导致振动中心右移。0K时，原子处在平衡位置。物理本质（势能曲线解释）势能曲线是不对称的！0K时，原子的势能最低。温度升高，原子的势能增加。势能曲线的不对称，使振动中心右移。材料热膨胀的本质:在于晶格点阵实际上在作非简谐振动，晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的，点阵能曲线也是非对称的。理想状态实际状态第二节材料的热膨胀热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用2.与其他物理性能的关系VKrCVV0VKrCVV0体膨胀与定容热容成正比，并且它们有相似依赖关系。1、与热容的关系KT/l格律乃森定律Al2O3的热容和膨胀系数随温度的变化金属的结合能越大，熔点越高，其膨胀系数越小。068.000CVVVTmTVm022.0lmT2、与结合能、熔点的关系对所有的纯金属/()maEb（a、b是常数）几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点3、与结构的关系对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系数的改变。ZrO2陶瓷的热膨胀曲线1000℃时单斜晶型四方晶型发生体积收缩4%4.与相变的关系一级二级第二节材料的热膨胀热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用3.影响热膨胀性能的因素相变的影响成分和组织的影响各向异性的影响相变的影响一级相变：体积突变，有相变潜热。二级相变：无体积突变和相变潜热；但膨胀系数和比热容有突变。直接用热膨胀实验分析用热膨胀实验可以研究二级相变二级相变同素异构体转变有序—无序转变温度变化时发生的晶型转变Fe：α相β相Cu-Au合金化学成分的影响固溶体的热膨胀系数略低于按直线规律计算的值。Cu–Au合金固溶体的膨胀系数020406080100rE/%αlCu–Au合金膨胀系数两相材料热膨胀系数计算值的比较多相合金体的膨胀系数主要取决于组成相的性质和数量内应力抑制了热膨胀第二节材料的热膨胀热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用4.热膨胀的测量光学膨胀仪电测试膨胀仪机械式膨胀仪光杠杆膨胀仪光干涉法电感式膨胀仪电容式膨胀仪千分表式膨胀仪杠杆式膨胀仪光杠杆式膨胀仪原理图光底片标准试样待测试样热膨胀测试仪（德国耐驰公司）测试原理：将样品放入炉体内，施一定温度程序，此时样品长度的变化通过推杆传递到左侧的检测单元，并由位移传感器测量得到结果。材料学院A306室一、技术参数：1.升降温速率：0-50K/min2.测量范围：500／5000μm3.样品长度：最大50mm样品直径：最大12mm4.ΔL分辨率：0.125nm/1.25nm5.样品支架：石英支架（1100℃），氧化铝支架（1700℃），石墨支架（2000℃）二、主要特点：1.DIL提供多种类型的样品支架与炉体配置。2.提供各种配件使测试更灵活方便。3.提供速率控制烧结软件（RCS）。4.提供c-DTA功能，可通过图谱分析计算得到差热DTA曲线。三、应用领域：可测量固体、熔融金属、粉末、涂料等各类样品，广泛应用于无机陶瓷、金属材料、塑胶聚合物、建筑材料、涂层材料、耐火材料、复合材料等领域。德国耐驰DIL402C热膨胀仪热膨胀仪典型图谱第二节材料的热膨胀热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用5.热膨胀的工程应用1、热膨胀的工程意义陶瓷工业薄膜生长航天器的设计金属的表面改性施釉要求釉层的膨胀系数比坯体要小为什么？结合后面涉及到的热应力知识进行解释。烤瓷牙微机械（MENS）领域热膨胀在工程中的意义热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有重要意义。1)是决定材料抗热震性的主要因素。2)陶瓷坯上釉，二者α应匹配。釉α适当小于坯，烧结冷却过程中，釉层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小的太多也不行，会使釉层脱落。3)集成电路、电子管、特种灯生产中。4)复合材料制备。5)精密仪器仪表。中国矿业大学材料科学与工程学院材料的种类（依据热膨胀系数）高热膨胀材料零热膨胀材料负热膨胀材料金属材料、高分子材料，具有较高的弹性和塑性。形状记忆合金、智能材料、微型机械等合金材料、陶瓷材料航空航天、精密仪表等领域航空航天、光电子精密仪器制造等领域陶瓷材料2、热膨胀分析的应用膨胀分析对研究钢在加热、等温、连续冷却和回火过程中的转变非常有效。确定钢的组织转变点研究加热转变小结热膨胀系数物理本质与其他物理性能的关系影响因素测量方法热膨胀的工程应用思考题1-3试结合热膨胀机理分析，即使在相同的室温条件下，不同的固体材料也往往具有不同的热膨胀系数的原因。1-4试分析应如何选择陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数，可以使制品的力学强度得以提高。