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1、玻璃线膨胀系数测定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 目目录录1.实验目的实验目的2.材料的热膨胀系数材料的热膨胀系数3.材料热膨胀系数的检测方法材料热膨胀系数的检测方法4.示差法的测定原理示差法的测定原理5.实验过程实验过程6.主要影响因素讨论主要影响因素讨论7.实验数据处理实验数据处理一目的意义热膨胀热膨胀物物体体的的体体积积或或长长度度随随温温度度的的升升高高而而增增大大的的现现象象称称为为热热膨膨胀胀。热热膨膨胀胀系系数数是是材材料料的的主主要要物物理理性性质质之之一一，它它是是衡衡量量材材料料的的热热稳稳定定性性好好坏坏的的一一个个重重要指标。要指标。提高材料的热稳
2、定性提高材料的热稳定性降降低低材材料料的的线线膨膨胀胀系系数数，提提高高材材料料的的热热稳稳定定性，性，提高材料的使用提高材料的使用安全性安全性。提高材料的强度提高材料的强度如如果果层层状状物物由由两两种种材材料料迭迭置置连连接接而而成成，则则温温度度变变化化时时，由由于于两两种种材材料料膨膨胀胀值值不不同同，若若仍仍连连接接在在一一起起，体体系系中中要要采采用用一一中中间间膨膨胀胀值值，从从而而使使一一种种材材料料中中产产生生压压应应力力而而另另一一种种材材料料中中产产生生大大小小相相等等的的张张应应力力，恰恰当当地地利利用用这这个个特特性性，可以增加制品的强度可以增加制品的强度。例：夹层玻
3、璃例：夹层玻璃1.目的和意义目的和意义绝大部分材料具有绝大部分材料具有“热胀冷缩热胀冷缩”的特性，材的特性，材料的这一特性对其实际应用有重要意义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明迄今仍无法完全解决两两种种不不同同金金属属的的焊焊接接，玻玻璃璃仪仪器器的的焊焊接接加加工工，在在电电真真空空工工业业和和仪仪器器制制造造工工业业中中广广泛泛地地将将非非金金属属材材料料（玻玻璃璃、陶陶瓷瓷）与与各各种种金金属属焊焊接接，也也要要求求两两者有相适应的热膨胀系数
4、。者有相适应的热膨胀系数。如如果果选选择择材材料料的的膨膨胀胀系系数数相相差差比比较较大大，焊焊接接时时由由于于膨膨胀胀的的速速度度不不同同，在在焊焊接接处处产产生生应应力力，降降低低了了材材料料的的机机械械强强度度和和气气密密性性，严严重重时时会会导导致致焊焊接接处脱落、炸裂、漏气或漏油。处脱落、炸裂、漏气或漏油。合理使用材料合理使用材料精精密密仪仪器器（小小型型、大大型型），选选用用膨膨胀胀系系数数小小的材料的材料例：大型加工机械例：大型加工机械水泥路面水泥路面钢铁大桥钢铁大桥水泥大桥水泥大桥大型建筑物大型建筑物 因此，测定材料的热膨胀系数具有重要的意义因此，测定材料的热膨胀系数具有重要的
5、意义。 2材料的热膨胀系数材料的热膨胀系数材材料料的的体体积积或或长长度度随随温温度度的的升升高高而而增增大大的的现现象称为象称为热膨胀。热膨胀。热膨胀通常用热膨胀系数表示。热膨胀通常用热膨胀系数表示。2.1体积膨胀系数体积膨胀系数（V）：相当于温度升高相当于温度升高1时物体体时物体体积的相对增大值。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。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谐）力
6、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。增大，物质就发生膨胀。物质的热膨胀是由非简谐（非线性）振动物质的热膨胀是由非简谐（非线性）振动引起的引起的。设设试试体体为为一一立立方方体体，边边长长为为L。当当温温度度从从T1上上升升到到T2时时，体积也从体积也从V1上升到上升到V2，体膨胀系数体膨胀系数 由于膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。由于膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。取一级近似：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估算材料的体膨胀系数，已足够精确。已足够精确。2.2
7、 2.2 线膨胀系数线膨胀系数（L）：在在实实际际工工作作中中一一般般都都是是测测定定材材料料的的线线热热膨膨胀胀系系数数。所所以以对对于于普普通通材材料料，通通常常所所说说膨膨胀胀系系数数是是指指线线膨胀系数。膨胀系数。 线线膨膨胀胀系系数数是是指指温温度度升升高高11后后，物物体体的的相相对对伸长。伸长。设设试试体体在在一一个个方方向向的的长长度度为为L。当当温温度度从从T1上上升升到到T2时，长度也从时，长度也从L1上升到上升到L2，则平均线膨胀系数则平均线膨胀系数无无机机材材料料的的线线膨膨胀胀系系数数一一般般都都不不大大，数量级约为数量级约为10-5-10-6/K。实际上，无机非金属
8、材料的实际上，无机非金属材料的体积膨胀系数体积膨胀系数V、线线膨胀系数膨胀系数L并不是一个常数，而是随温度稍有变化，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。通常随温度升高而增大。 瞬时线膨胀系数为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材料热膨胀系数的检测方法人人类类很很早早（十十八八世世纪纪）就就测测定定固固体体的的热热膨膨胀胀。当当时时的的测测定定装装置置很很原原始始：水水平平放放置置约约15厘厘米米长长的的试试样样，下下面面点点燃燃几几支支蜡烛加热，通过齿轮机构放大来确定试
9、样长度的变化。蜡烛加热，通过齿轮机构放大来确定试样长度的变化。十十九九世世纪纪到到现现在在，人人们们创创造造了了许许多多测测定定方方法法。上上世世纪纪60年年代代出出现现了了激激光光法法，出出现现了了用用计计算算机机控控制制或或记记录录处处理理测测定定数数据的测量仪器。据的测量仪器。测测定定无无机机非非金金属属材材料料热热膨膨胀胀系系数数常常用用：千千分分表表法法、热热机机械法（光学法、电磁感应法）、体积法械法（光学法、电磁感应法）、体积法等。等。它它们们的的共共同同点点都都是是试试样样在在加加热热炉炉中中受受热热膨膨胀胀，通通过过顶顶杆杆将膨胀传递到检测系统。不同之处在于检测系统。将膨胀传递
10、到检测系统。不同之处在于检测系统。千分表法千分表法是用千分表直接测量试样的伸长量。是用千分表直接测量试样的伸长量。光学热机械法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。伸长量。电磁感应热机械法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。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。根据试样的伸
11、长量就可计算出线膨胀系数。L/L0=alt试样规格为直径试样规格为直径3-8mm，长度长度10-20mm的圆棒。的圆棒。 卧式膨胀仪卧式膨胀仪图图43-3示差法测定材料膨胀系数的装置示差法测定材料膨胀系数的装置测温热电偶；测温热电偶；膨胀仪电炉；膨胀仪电炉；电热丝；电热丝；电流表；电流表；调压器；调压器；电炉铁壳；电炉铁壳；铜柱电炉芯；铜柱电炉芯；待测试棒；待测试棒；石英玻璃棒；石英玻璃棒；石英玻璃管；石英玻璃管；遮热板；遮热板；铁制支承架；铁制支承架；千分表；千分表；水瓶；水瓶；水银温度计；水银温度计；电位差计。电位差计。4示差法的测定原理（示差法的测定原理（石英膨胀仪石英膨胀仪）图图43-
12、1石英膨胀仪内部结构热膨胀分析图石英膨胀仪内部结构热膨胀分析图示差法的测定原理示差法的测定原理由于玻璃的膨胀系数一般是由于玻璃的膨胀系数一般是石英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。两者的膨胀差可以测定。因为因为玻璃玻璃石英石英所以所以L1 L2千分表的指示为千分表的指示为L = L1 L2 玻璃的净伸长玻璃的净伸长L1 = L L2按按定义，玻璃的膨胀系数定义，玻璃的膨胀系数注：注：只要材料的膨胀系数小于石英的膨胀系数的处理，如：只要材料的膨胀系数小于石英的膨胀系数的处理，如：金属、金属、无机非金属、有机材料无机非金属、有机材料，都可用这种膨胀仪测定。，都可用这种膨胀仪
13、测定。 玻璃的线膨胀系数与温度有关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）；石英玻璃的平均线膨胀系数（按下列温度范围取值）；5.710-7度度-1（）5.910-7度度-1（）5.810-7度度-1()5.9710-7度度-1（） 因此，材料的因此，材料的平均线膨胀系数应标明温度范围平均线膨胀系数应标明温度范围，如如:(0300)=5.710-7/k(01000)=5.810-7/k 五实验过程五实验过程试试样样加加工工试样试样切割切割试样试样研磨研磨长度测量长度测量试样安装试样安装设定升温程序设定升温程序加热测量加热测量实验过程关键操作实验过程关键操作试试样
14、样安安装装1.试样加工与安装试样加工与安装2.玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响淬火淬火：玻璃成形后快速冷却：玻璃成形后快速冷却精密退火精密退火：玻璃成形后缓慢冷却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。在测定玻璃线膨胀系数时的升温速度。6主要影响因素讨论主要影响因素讨论 玻璃的热历史对其膨玻璃的热历史对其膨胀系数有重要的影响。胀系数有重要的影响。退火玻璃曲线发生曲退火玻璃曲线发生曲折是由于温度超过折是由于温度超过Tg以以后，伴随玻璃转变发生后，伴随玻璃转变发生结构变化，膨胀更加剧结构
15、变化，膨胀更加剧烈。烈。至于急冷玻璃，是由至于急冷玻璃，是由于试样存在热应变，在于试样存在热应变，在某温度以上开始出现弛某温度以上开始出现弛豫的结果。豫的结果。玻璃的热历史玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响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。热时，性质来不及反映该温度的最终值。柯尔纳（柯尔纳（O.Koeyner）和和沙尔芒沙尔芒（H.Salmang）在研究硅酸盐的玻璃时发现，在研究硅酸盐的玻璃时发现，只有以只有以5/分钟的加热速度，加热试样时，分钟的加热速度，加热试样时，才能清楚地看到才能清楚地看到T
16、g。加热速度对玻璃线膨胀系数的影响加热速度对玻璃线膨胀系数的影响同样试样，同样试样，如果以如果以8/分钟的加热速分钟的加热速度，加热试样时，度，加热试样时，Tg根本不显现根本不显现。在。在这种情况下，玻璃这种情况下，玻璃在略低于在略低于Tg温度温度下就开始软化，在下就开始软化，在膨胀曲线上没有突膨胀曲线上没有突变。变。.加热速度加热速度5/分钟分钟.加热速度加热速度8/分钟分钟.加热速度加热速度？/分钟分钟加热速度减慢，加热速度减慢，Tg下降。下降。对于对于“碱碱-钙钙-硅玻璃硅玻璃”，M-符尔达符尔达（M.Fulda）得到下列数据：得到下列数据：这是由于玻璃快速加热时，性质来不及反这是由于玻璃快速加热时，性质来不及反映该温度下的最终值。映该温度下的最终值。加热速度/分钟分钟0.5159转变温度4684794934997实验数据处理实验数据处理绘制膨胀曲线、计算平均线膨胀系数、求特征点的温度。绘制膨胀曲线、计算平均线膨胀系数、求特征点的温度。必须用必须用Origin或或Sigmaplot等科学绘图软件来处理数据！等科学绘图软件来处理数据！
