材料的热膨胀.pptx

本章内容热容热膨胀热传导热稳定性第1页/共36页第二节 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 热膨胀的工程应用第2页/共36页1.热膨胀的物理本质 什么是热膨胀？热膨胀系数 热膨胀的物理本质第3页/共36页热膨胀系数温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。n 平均线膨胀系数n 微分线膨胀系数n 体膨胀系数ttt1t2各向同性各向异性第4页/共36页部分材料的线性膨胀系数材料名称 l/10-6K-1温度范围AlTiCrFeNiCuWInvar合金6Ni-Fe铸铁黄铜SiAl2O3SiCSi3N4石英玻璃24.99.210.6016.717.117.185.190210.51218.5216.958.84.72.70.530357315311335237533031123693126337315732933732734732935732733732731273273127327312732731273第5页/共36页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第6页/共36页物理本质（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。第7页/共36页物理本质（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。第8页/共36页材料热膨胀的本质: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9页/共36页第二节 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 热膨胀的工程应用第10页/共36页2.与其他物理性能的关系体膨胀与定容热容成正比，并且它们有相似依赖关系。1、与热容的关系格律乃森定律第11页/共36页Al2O3的热容和膨胀系数随温度的变化第12页/共36页 金属的结合能越大，熔点越高，其膨胀系数越小。2、与结合能、熔点的关系对所有的纯金属（a、b是常数）第13页/共36页几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点第14页/共36页3、与结构的关系n 对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。n 而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。n 温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系 数的改变。第15页/共36页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%第16页/共36页4.与相变的关系一级一级二级二级第17页/共36页第二节 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 热膨胀的工程应用第18页/共36页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第19页/共36页相变的影响 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第20页/共36页二级相变 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：相 相Cu-Au合金第21页/共36页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 AuCu Au合金固溶体的膨胀系数合金固溶体的膨胀系数020406080100rE/%lCuAu合金膨胀系数第22页/共36页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23页/共36页第二节 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 热膨胀的工程应用第24页/共36页4.热膨胀的测量u 光学膨胀仪u 电测试膨胀仪u 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第25页/共36页热膨胀测试仪（德国耐驰公司）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室第26页/共36页一、技术参数：1.升降温速率：0-50K/min2.测量范围：5005000m3.样品长度：最大50mm样品直径：最大12mm4.L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热膨胀仪第27页/共36页热膨胀仪典型图谱第28页/共36页第二节 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 热膨胀的工程应用第29页/共36页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）领域第30页/共36页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，二者应匹配。釉适当小于坯，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。第31页/共36页材料的种类（依据热膨胀系数）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第32页/共36页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 研究加热转变第33页/共36页小结u 热膨胀系数u 物理本质u 与其他物理性能的关系u 影响因素u 测量方法u 热膨胀的工程应用第34页/共36页思考题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。第35页/共36页感谢您的观看！第36页/共36页