熱膨脹通常是指外壓強(qiáng)不變的情況下，大多數(shù)物質(zhì)在溫度升高時(shí)，其體積增大，溫度降低時(shí)體積縮小。熱膨脹與溫度、熱容、結(jié)合能以及熔點(diǎn)等物理性能有關(guān)。影響材料膨脹性能的主要因素為相變、材料成分與組織、各異性的影響。

基本介紹

物體因溫度改變而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象叫“熱膨脹”。通常是指外壓強(qiáng)不變的情況下，大多數(shù)物質(zhì)在溫度升高時(shí)，其體積增大，溫度降低時(shí)體積縮小。在相同條件下，氣體膨脹最大，液體膨脹次之，固體膨脹最小。也有少數(shù)物質(zhì)在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度升高時(shí)，其體積反而減小。因?yàn)槲矬w溫度升高時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大，分子間的距離也增大，物體的體積隨之而擴(kuò)大;溫度降低，物體冷卻時(shí)分子的平均動(dòng)能變小，使分子間距離縮短，于是物體的體積就要縮小。又由于固體、液體和氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能大小不同，因而從熱膨脹的宏觀現(xiàn)象來看亦有顯著的區(qū)別。

影響因素

相變

一級(jí)相變：體積突變，V-T曲線不連續(xù)變化，轉(zhuǎn)變點(diǎn)處膨脹系數(shù)無窮大。

二級(jí)相變：V-T曲線連續(xù)變化，膨脹系數(shù)有突變。

成分和組織

(1)形成固溶體

固溶體的膨脹系數(shù)取決于溶劑基體和溶質(zhì)的膨脹系數(shù)以及它們的相對(duì)含量。當(dāng)溶質(zhì)的膨脹系數(shù)高于溶劑時(shí)，將增大膨脹系數(shù)。當(dāng)溶質(zhì)的膨脹系數(shù)低于溶劑時(shí)，將減小膨脹系數(shù)。組元之間形成無限固溶體時(shí)，任意成分固溶體的膨脹系數(shù)將處于兩組元膨脹系數(shù)之間。

(2)不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)

固體結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部空隙較多，當(dāng)溫度升高，原子振幅加大，原子間距離增加時(shí)，部分的被結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙所容納，宏觀膨脹就小。

例如：結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)大，而類似于無定形的玻璃，則往往具有較小的膨脹系數(shù)。

石英 12×10-6/K， 石英玻璃 0.5×10-6/K

敞曠式的結(jié)構(gòu)，例如，石英、鋰霞石、鋰輝石等，它們是由硅氧四面體形成的架狀結(jié)構(gòu)，其中存在較大的空洞，熱振動(dòng)比較復(fù)雜，有兩個(gè)額外效應(yīng)可能發(fā)生：

首先，原子可以向結(jié)構(gòu)中空曠處振動(dòng)，導(dǎo)致膨脹系數(shù)小,鋰霞石LiAlSiO4的熱膨脹系數(shù)是2×10-6/K。

其次，四面體協(xié)同旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，具有異常大或小的膨脹。

(3)多相體

多相體的膨脹系數(shù)可按特諾公式計(jì)算。復(fù)合體中有多晶轉(zhuǎn)變組分時(shí)，因多晶轉(zhuǎn)化的體積不均勻變化，導(dǎo)致膨脹系數(shù)的異常變化。復(fù)合體內(nèi)的微裂紋可引起熱膨脹的滯后現(xiàn)象，尤其是大晶粒樣品。

各向異性影響

結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較低的單晶體，其膨脹系數(shù)具有各向異性，不同的晶向有不同的線膨脹系數(shù)。一般來說，彈性模量高的方向?qū)⒂休^小的膨脹系數(shù)，反之亦然。

多晶材料往往存在微晶的擇優(yōu)取向，從而在一定程度上具有晶體的各向異性。

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