材料热膨胀系数.pdf

材料热膨胀系数 微系统中心 纪潇 主要内容 热膨胀系数热膨胀系数 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 零热膨胀系数材料零热膨胀系数材料 3 热膨胀系数热膨胀系数 1 3 2 1 1 1 1 背景背景 物体的热膨胀现象热膨胀现象在自然界普遍存在 这 种现象的存在 给制造工业带来很多不利的 影响 尤其在精密机械 精密仪器及测试技 术中 由于温度变化温度变化引起被加工和被测量对 象的热变形对加工精度加工精度和测量精度测量精度的影响已 越来越引起人们的重视 通常 衡量物体热 变形的主要参数是组成该物体材料的热膨胀热膨胀 系数系数 热膨胀系数热膨胀系数 1 3 2 1 2 1 2 热膨胀系数热膨胀系数 热膨胀系数 体膨胀系数 线膨胀系数 常用 线膨胀系数 常用 实际应用中 有两种主要的热膨胀系数 tL L ttL LL 0120 12 L1 L2 t1 t2温度时的样品长度 L0 标准温度t0时的样品长度 t0常取0 C或20 C 表达式 定义 当温度改变1 C 固态物质长度的变化 和它在标准温度时的长度的比值 单位 10 6 K或 10 6 C 1 费业泰 精密测量中零件热变形系数研究 J 仪器仪表学报 1998 19 1 71 75 1 热膨胀系数热膨胀系数 1 3 2 1 3 1 3 不同材料的线膨胀系数不同材料的线膨胀系数 2 高焕方 填料及液体橡胶对降低环氧厚涂层内应力的作用 J 表面技术 2002 4 53 54 7 9 1 10 热膨胀系数热膨胀系数 1 3 2 1 3 1 3 不同材料的线膨胀系数不同材料的线膨胀系数 来自百度文库 材料热膨胀系数 热膨胀系数热膨胀系数 1 3 2 从上文可知 一般情况下 线膨胀系数 为正 也就是说温度升高体积增大 但是也有例外 当水在0 4 C之间 就会出现反膨胀 也就是说 在一定温度条件下有负的热膨胀系数 而一些 陶瓷材料在温度升高的情况下 几乎不发生任 何特性变化 其热膨胀系数接近0 1 3 1 3 不同材料的线膨胀系数不同材料的线膨胀系数 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 负热膨胀 负热膨胀材料是指在一定的温度范围内其线膨 胀系数 T 或体膨胀系数 T 为负值 通过研究负热膨胀 NTE 材料 并使这种材料 与一般的正热膨胀材料复合 从而使复合材料 的热膨胀系数可控 甚至为零 成为可能 2 1 2 1 简介简介 材料体积材料体积 温度温度 3 华祝元 刘佳琪 严学华 负热膨胀系数材料的研究现状与展望 J 硅酸盐通报 2010 5 1086 1092 随温度的升高 晶随温度的升高 晶 体体在在a b c轴向轴向 上都收缩上都收缩 并且收 并且收 缩系数相同缩系数相同 随温度的升高 内随温度的升高 内 部晶体沿部晶体沿一个或某一个或某 两个轴收缩两个轴收缩 而沿 而沿 其他轴膨胀其他轴膨胀 最终 最终 使材料在整体上呈使材料在整体上呈 现负热膨胀现负热膨胀 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 2 2 2 2 分类分类 负膨胀系数材料负膨胀系数材料 各向异性各向异性 各向同性各向同性 3 华祝元 刘佳琪 严学华 负热膨胀系数材料的研究现状与展望 J 硅酸盐通报 2010 5 1086 1092 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 2 2 2 2 分类分类 各向异性各向异性 这类材料的负膨胀系数不大 温度范围较窄 易 产生微裂纹 从而降低整体强度 根据结构不同可以分为以下几个系列 3 4 3 华祝元 刘佳琪 严学华 负热膨胀系数材料的研究现状与展望 J 硅酸盐通报 2010 5 1086 1092 4 刘颖 复合负热膨胀材料的合成 表征及性质 D 河北大学 2009 石榴石系列石榴石系列 锂霞石系列锂霞石系列 堇青石系列堇青石系列 钙钛矿系列钙钛矿系列 结构结构分类分类 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 2 2 2 2 分类分类 各向异性各向异性 4 刘颖 复合负热膨胀材料的合成 表征及性质 D 河北大学 2009 石榴石系列 石榴石系列 a b方向收缩方向收缩 c方向膨胀方向膨胀 NaZr2 P04 3 NZP 这种类型的化 合物具有六方晶胞六方晶胞的石榴石结 构 NZP的结构也可以看做是 Na Zr O沿沿c轴方向轴方向连接成一维 管状结构 P04 四面体四面体将管状 结构沿着垂直于垂直于c轴轴的方向连接 成三维结构 如图所示 温度升高 Na O键伸长 晶胞参 数沿沿c轴增加轴增加 P O和Zr O键的 键长不改变 必然导致键角的改 变 结果在垂直于垂直于c轴轴的二维方 向上发生收缩收缩 NZP的管状结构 4 4 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 2 2 2 2 分类分类 各向异性各向异性 锂霞石系列锂霞石系列 a b方向膨胀方向膨胀 c方向收缩方向收缩 4 锂霞石 LiO2 Al2O3 SiO2 具有 六方晶系的类似高温石英的结 构 如图所示 在低温低温 Li 离子离子有序占据在由 四个氧原子配位的四面体四面体配位 中心 而结构中由六个氧原子 形成的配位八面体的中心是空 位 八面体位置相对于Li 离子 则过于狭小 在高温高温 Li 离子 迁移到八面体八面体位置 八面体的 空位膨胀 从而使a b轴膨胀轴膨胀 c轴收缩轴收缩 高温石英的结构 来自豆丁网 4 刘颖 复合负热膨胀材料的合成 表征及性质 D 河北大学 2009 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 2 2 2 2 分类分类 各向异性各向异性 5 史志铭 梁开明 元素掺杂对堇青石晶体结构及热膨胀系数的作用 J 现代技术陶瓷 2000 21 2 18 23 堇青石系列 堇青石系列 a b 方向膨胀方向膨胀 c方向收缩方向收缩 在堇青石 MgO Al2O3 SiO2 的结构中 Si O Al O 键长 的变化受温度的影响很小 堇青石晶体的热膨胀驱动力 是 MgQ6 八面体 图中的M 的热变形 由于Mg O 之间之间 的弱键力的弱键力 造成沿沿 a b轴轴 的膨胀的膨胀和沿沿c 轴的收缩轴的收缩 堇青石晶体热膨胀示意 图 001晶面投影 5 5 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 2 2 2 2 分类分类 各向异性各向异性 钙钛矿系列 钙钛矿系列 钙钛矿形化合物具有结构的多样性 铁电体的钙钛矿结构是由畸变畸变的 AO6 配位八面体 共顶点连接构成的 钙钛矿铁电体在居里温度以下 接近相变点的很 窄的温度范围内常常表现出热收缩性质 这是由 于A O键的平均键长键的平均键长随着畸变的配位八面体的规规 则化则化而逐渐缩短逐渐缩短 4 刘颖 复合负热膨胀材料的合成 表征及性质 D 河北大学 2009 4 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 2 2 2 2 分类分类 各向同性各向同性 目前已知的负热膨胀系数的各向同性的化合 物只有两种 焦磷酸盐焦磷酸盐结构和焦钨酸盐焦钨酸盐结构 另一些负热膨胀系数的各向同性的物质是例 如橡胶一类的无定形材料无定形材料和玻璃材料玻璃材料 无定形物质微观结构的热膨胀机理可以用M O M键桥氧原子的横向热运动解释 在无定 形物质中 微观结构各向异性热膨胀的随机 分布 在宏观上得到各向同性的结果 4 刘颖 复合负热膨胀材料的合成 表征及性质 D 河北大学 2009 1 负热膨胀系数材料负热膨胀系数材料 2 3 2 2 2 2 分类分类 各向同性各向同性 以ZrV2O7为例简单说明 ZrV2O7的热膨胀机理与V O V键有关 V O V是沿着三个坐标的方向三个坐标的方向均匀分布均匀分布的 因此 桥氧原子的横向热运动桥氧原子的横向热运动导致V V间距离的收 缩以及随之导致的晶胞体积的收缩都是各向 同性的 4 刘颖 复合负热膨胀材料的合成 表征及性质 D 河北大学 2009 1 2 零热膨胀系数材料零热膨胀系数材料 3 零膨胀材料外观尺寸受外界环境温度变化影 响小 甚至为零 有优异的抗热震性与尺寸 精确性 在工业界具有很大的应用价值 目前 不仅在氧化物氧化物而且在合金合金等体系中发 现了一些具有零膨胀特性的材料 如著名的Invar合金 殷钢 Fe65Ni35 具有较低 的热膨胀系数 2 0 10 6 C 在1897年发现 之后一直应用至今 3 1 3 1 简介简介 6 陈骏 邓金侠 于然波 等 热收缩化合物 负热膨胀性及成因 J 物理 2010 39 10 691 698 1 2 零热膨胀系数材料零热膨胀系数材料 3 3 2 3 2 具有零膨胀特性的材料具有零膨胀特性的材料 7 李伯恒 层状晶体负热膨胀系数探讨 J 重庆大学学报 自然科学版 2002 25 6 71 74 石墨 除T 0K外 在温度为15K和42K附近 热膨胀系数为零 在1542K的温 度范围内 它为负值 在 较高温度范围内 它近似为常数近 热膨胀系数为 零 在1542K的温度范围内 它为负值 在较高温度范围内 近似为常数 低温条件下石墨的膨胀系数随温度的变化 较高温度下石墨的膨胀系数随温度的变化 1 2 零热膨胀系数材料零热膨胀系数材料 3 3 2 3 2 具有零膨胀特性的材料具有零膨胀特性的材料 6 陈骏 邓金侠 于然波 等 热收缩化合物 负热膨胀性及成因 J 物理 2010 39 10 691 698 NZP型化合物 0 4 2 7 10 6 C 莫来石 4 5 10 6 C 锆英石 ZrSiO4 4 1 10 6 C 堇青石 Mg2Al4Si5O18 1 3 10 6 C 钛酸铝 Al2TiO5 1 5 10 6 C 石英玻璃 0 5 10 6 C 钙钛矿结构的PbTiO3基体化合物 0 83 10 6 C 参考文献参考文献 1 费业泰 精密测量中零件热变形系数研究 J 仪器仪表学报 1998 19 1 71 75 2 高焕方 填料及液体橡胶对降低环氧厚涂层内应力的作用 J 表面 技术 2002 4 53 54 3 华祝元 刘佳琪 严学华 负热膨胀系数材料的研究现状与展望 J 硅 酸