材料热膨胀系数参考幻灯片

1、材料热膨胀系数,微系统中心,纪潇,主要内容,热膨胀系数,1,负热膨胀系数材料,2,零热膨胀系数材料,3,热膨胀系数,1,3,2,1.1,背景,物体的,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,引起被加工和被测量对,象的热变形对,加工精度,和,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,系数,热膨胀系数,1,3,2,1.2,热膨胀系数,热膨胀系数,体膨胀系数,线膨胀系数（常用,实际应用中，有两种主要的热膨胀系数,t,L,L,t,t,L,L,

2、L,0,1,2,0,1,2,L,1,L,2,t,1,t,2,温度时的样品长度,L,0,标准温度,t,0,时的样品长度,t,0,常取,0o,C,或,20o,C,表达式,定义：当温度改变,1o,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,o,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,1,3,2,1.3,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: 53-54,7.9,110,热膨胀系数,1,3,2,1.3,不同材料的

3、线膨胀系数,来自百度文库材料热膨胀系数,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,0-4o,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,不同材料的线膨胀系数,1,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

4、可能,2.1,简介,材料体积,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,体,在,a,b,c,轴向,上都收缩,并且收,缩系数相同,随温度的升高，内,部晶体沿,一个或某,两个轴收缩,而沿,其他轴膨胀,最终,使材料在整体上呈,现负热膨胀,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,分类,负膨胀系数材料,各向异性,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,2,3,2.2,分类,各向异性,这类材料的负膨胀

5、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,锂霞石系列,堇青石系列,钙钛矿系列,结构,分类,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,分类,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,a,b,方向收缩,c,方向膨胀,NaZr,2,P0,4,3,NZP,这种类型的化,合物具有,六方晶胞,的石榴石结,构

6、,NZP,的结构也可以看做是,Na-Zr-O,沿,c,轴方向,连接成一维,管状结构,P0,4,四面体,将管状,结构沿着,垂直于,c,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,c,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,c,轴,的二维方,向上发生,收缩,NZP,的管状结构,4,4,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,分类,各向异性,锂霞石系列,a,b,方向膨胀,c,方向收缩,4,锂霞石,LiO,2,Al,2,O,3,SiO,2,具有,六方晶系的类似高温石英的结,构，如图所示,在,低温,Li,离子,有序占据在由

7、,四个氧原子配位的,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,Li,离子,迁移到,八面体,位置，八面体的,空位膨胀，从而使,a,b,轴膨胀,c,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,2,3,2.2,分类,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,a,b,方向膨胀,c,方向收缩,在堇青石,MgO-Al,2,O,3,SiO,2,的结

8、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,的弱键力,造成,沿,a,b,轴,的膨胀,和,沿,c,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,2,3,2.2,分类,各向异性,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,的,AO,6,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,随着畸变的配位八面体的,规,则化,而,逐渐缩短,4,

9、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,2,3,2.2,分类,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,结构和,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,和,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,2,3,2.2,分类,各向同性,以,Zr

10、V,2,O,7,为例简单说明,ZrV,2,O,7,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,均匀分布,的，因此,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,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,而且在,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,Fe,65,Ni,35,具有较低,

11、的热膨胀系数,2.0,10,6,o,C,在,1897,年发现,之后一直应用至今,3.1,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,3,3.2,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

12、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,3,3.2,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,0.42.7,10,6,o,C,莫来石,4.5,10,6,o,C,锆英石,ZrSiO,4,4.1,10,6,o,C,堇青石,Mg,2,Al,4,Si,5,O,18,1.3,10,6,o,C,钛酸铝,Al,2,TiO,5,1.5,10,6,o,C,石英玻璃,0.5,10,6,o,C,钙钛矿结构的,PbTiO,3,基体化合物,0.83,10,6,o,C,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,酸盐通报,2010 (5): 1086-1092,4,刘颖,复合