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玻璃线膨胀系数测定 江苏工业学院 材料科学与工程系 曹大呼 目 录 1. 实验目的 2. 材料的热膨胀系数 3. 材料热膨胀系数的检测方法 4. 示差法的测定原理 5. 实验过程 6. 主要影响因素讨论 7. 实验数据处理 一目的意义 热膨胀 物体的体积或长度随温度的升高而增大的现 象称为热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理性 质之一，它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重 要指标。 提高材料的热稳定性 降低材料的线膨胀系数，提高材料的热稳定 性，提高材料的使用 安全性。 提高材料的强度 如果层状物由两种材料迭置连接而成， 则温度变化时，由于两种材料膨胀值不同，若 仍连接在一起，体系中要采用一中间膨胀值， 从而使一种材料中产生压应力而另一种材料中 产生大小相等的张应力，恰当地利用这个特性 ，可以增加制品的强度。 例：夹层玻璃 1. 目的和意义 绝大部分材料具有“热胀冷缩”的特性，材料 的这一特性对其实际应用有重要意义 夏季高温天气由于热膨胀导致铁轨弯曲和火车出轨。这一问题从火车发 明迄今仍无法完全解决 两种不同金属的焊接，玻璃仪器的焊接加工 ，在电真空工业和仪器制造工业中广泛地将非金 属材料（玻璃、陶瓷）与各种金属焊接，也要求 两者有相适应的热膨胀系数。 如果选择材料的膨胀系数相差比较大，焊接时 由于膨胀的速度不同，在焊接处产生应力，降低 了材料的机械强度和气密性，严重时会导致焊接 处脱落、炸裂、漏气或漏油。 合理使用材料 精密仪器（小型、大型），选用膨胀系数小 的材料 例：大型加工机械 水泥路面 钢铁大桥 水泥大桥 大型建筑物 因此，测定材料的热膨胀系数具有重要的意义。 2 材料的热膨胀系数 材料的体积或长度随温度的升高而增大的现 象称为热膨胀。热膨胀通常用热膨胀系数表示。 2.1 体积膨胀系数（V）： 相当于温度升高1时物体体 积的相对增大值。 由于总有内能存在，物质的每个粒子都在振动 。 当物质受热时，由于温度升高，每个粒子 的热能增大，导致振幅也随之增大，由（非简 谐）力相互结合的两个原子之间的距离也随之 增大，物质就发生膨胀。 物质的热膨胀是由非简谐（非线性）振动 引起的。 设试体为一立方体，边长为L 。当温度从T1上升到T2时 ，体积也从V1上升到V2 ，体膨胀系数 由于膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。 取一级近似： = 3 在测量技术上，体膨胀比较难测，通常应用以上关系来 估算材料的体膨胀系数，已足够精确。 2.2 线膨胀系数（L）： 在实际工作中一般都是测定材料的线热膨胀系 数。所以对于普通材料，通常所说膨胀系数是指线 膨胀系数。 线膨胀系数是指温度升高1后，物体的相对伸长 。 设试体在一个方向的长度为L 。当温度从T1上升 到T2时，长度也从L1上升到L2 ，则平均线膨胀系数 无机材料的线膨胀系数一般都不大， 数量级约为10-5-10-6/K。 实际上，无机非金属材料的体积膨胀系数V 、线 膨胀系数L并不是一个常数，而是随温度稍有变化， 通常随温度升高而增大。 瞬时线膨胀系数为 几种无机材料的热膨胀曲线几种无机材料的热膨胀曲线 3材料热膨胀系数的检测方法 人类很早（十八世纪）就测定固体的热膨胀。当时的测 定装置很原始：水平放置约15厘米长的试样，下面点燃几支 蜡烛加热，通过齿轮机构放大来确定试样长度的变化。 十九世纪到现在，人们创造了许多测定方法。上世纪60 年代出现了激光法，出现了用计算机控制或记录处理测定数 据的测量仪器。 测定无机非金属材料热膨胀系数常用：千分表法、热机 械法（光学法、电磁感应法）、体积法 等。 它们的共同点都是试样在加热炉中受热膨胀，通过顶杆 将膨胀传递到检测系统。不同之处在于检测系统。 千分表法是用千分表直接测量试样的伸长量。 光学热机械法是通过顶杆的伸长量来推动光学系统内的反 射镜转动经光学放大系统而使光点在影屏上移动来测定试样的 伸长量。 电磁感应热机械法是将顶杆的移动通过天平传递到差动变压 器，变换成电讯号，经放大转换，从而测量出试样的伸长量。 根据试样的伸长量就可计算出线膨胀系数。 L / L0 = al t 试样规格为直径3-8mm，长度10-20mm的圆棒。 卧式膨胀仪 图43-3 示差法测定材料膨胀系数的装置 测温热电偶；膨胀仪电炉；电热丝；电流表；调压器 ；电炉铁壳；铜柱电炉芯；待测试棒；石英玻璃棒； 石英玻璃管；遮热板；铁制支承架；千分表； 水瓶；水银温度计； 电位差计。 4示差法的测定原理（石英膨胀仪） 图43-1 石英膨胀仪内部结构热膨胀分析图 示差法的测定原理 由于玻璃的膨胀系数一般是 石英的膨胀系数一般是 两者的膨胀差可以测定。 因为 玻璃 石英 所以 L1 L2 千分表的指示为 L = L1 L2 玻璃的净伸长 L1 = L L2 按定义，玻璃的膨胀系数 注：只要材料的膨胀系数小于石英的膨胀系数的处理，如： 金属、 无机非金属、有机材料，都可用这种膨胀仪测定。 玻璃的线膨胀系数与温度有关。 石英玻璃的平均线膨胀系数（按下列温度范围取值） ； 5.710-7度-1 （） 5.910-7度-1 （） 5.810-7度-1 () 5.9710-7度-1 （） 因此，材料的平均线膨胀系数应标明温度范围， 如: ( 0300 ) = 5.710-7 / k ( 01000 ) = 5.810-7 / k 五实验过程 试 样 加 工 试样 切割 试样 研磨 长度测量 试样安装 设定升温程序 加热测量 实验过程关键操作 试 样 安 装 1. 试样加工与安装 2. 玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响 淬火：玻璃成形后快速冷却 精密退火：玻璃成形后缓慢冷却 2. 加热速度对玻璃线膨胀系数的影响 在测定玻璃线膨胀系数时的升温速度。 6主要影响因素讨论 玻璃的热历史对其膨 胀系数有重要的影响。 退火玻璃曲线发生曲 折是由于温度超过Tg以 后，伴随玻璃转变发生 结构变化，膨胀更加剧 烈。 至于急冷玻璃，是由 于试样存在热应变，在 某温度以上开始出现弛 豫的结果。 玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响 加热速度是个极重要的因素。玻璃快速加 热时，性质来不及反映该温度的最终值。 柯尔纳（O.Koeyner）和沙尔芒（ H.Salmang）在研究硅酸盐的玻璃时发现， 只有以 5 /分钟的加热速度，加热试样时 ，才能清楚地看到Tg 。 加热速度对玻璃线膨胀系数的影响 同样试样，如果以 8 /分钟的加热速 度，加热试样时， Tg根本不显现。在 这种情况下，玻璃 在略低于Tg 温度 下就开始软化，在 膨胀曲线上没有突 变。 . 加热速度5/分钟 . 加热速度8/分钟 . 加热速度？/分钟 加热速度减慢， Tg下降。 对于“碱-钙-硅玻璃”，M-符尔达（