1、玻璃線膨脹系數測定玻璃線膨脹系數測定常州大學材料科學與工程學院 目目 錄錄1. 實驗目的實驗目的2. 材料的熱膨脹系數材料的熱膨脹系數3. 材料熱膨脹系數的檢測方法材料熱膨脹系數的檢測方法4. 示差法的測定原理示差法的測定原理5. 實驗過程實驗過程6. 主要影響因素討論主要影響因素討論7. 實驗數據處理實驗數據處理一目的意義熱膨脹熱膨脹 物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹熱膨脹。熱膨。熱膨脹系數是材料的主要物理性質之一，它是衡量材料的脹系數是材料的主要物理性質之一，它是衡量材料的熱穩定性熱穩定性好壞的好壞的一個重要指標。一個重要指標。

2、提高材料的熱穩定性提高材料的熱穩定性 降低材料的線膨脹系數，提高材料的降低材料的線膨脹系數，提高材料的熱穩定性，熱穩定性，提高材料的使用提高材料的使用安全性安全性。提高材料的強度提高材料的強度 如果如果層狀物由兩種材料迭置連接而成層狀物由兩種材料迭置連接而成，則溫度變化時，由于兩種，則溫度變化時，由于兩種材料膨脹值不同，若仍連接在一起，材料膨脹值不同，若仍連接在一起，體系中要采用一中間膨脹值體系中要采用一中間膨脹值，從，從而使一種材料中產生壓應力而另一種材料中產生大小相等的張應力，而使一種材料中產生壓應力而另一種材料中產生大小相等的張應力，恰當地利用這個特性，恰當地利用這個特性，可以增加制品的

3、強度可以增加制品的強度。 例：夾層玻璃例：夾層玻璃1. 目的和意義目的和意義絕大部分材料具有絕大部分材料具有“熱脹冷縮熱脹冷縮”的特性，材料的這的特性，材料的這一特性對其實際應用有重要意義一特性對其實際應用有重要意義夏季高溫天氣由于熱膨脹導致鐵軌彎曲和火車出軌。這一問題從火車發明迄今仍無法完全解決 兩種不同金屬的焊接，玻璃儀器的焊接加工，在電真空工業和儀器制造工業中廣泛地將非金屬材料（玻璃、陶瓷）與各種金屬焊接，也要求兩者有相適應的熱膨脹系數。如果選擇材料的膨脹系數相差比較大，焊接時由于膨脹的速度不同，在焊接處產生應力，降低了材料的機械強度和氣密性，嚴重時會導致焊接處脫落、炸裂、漏氣或漏油。合

4、理使用材料合理使用材料 精密儀器（小型、大型），選用膨脹系數小的材料 例：大型加工機械 水泥路面 鋼鐵大橋 水泥大橋 大型建筑物 因此，測定材料的熱膨脹系數具有重要的意義因此，測定材料的熱膨脹系數具有重要的意義。 2 材料的熱膨脹系數材料的熱膨脹系數 材料的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為材料的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨熱膨脹。脹。熱膨脹通常用熱膨脹系數表示。熱膨脹通常用熱膨脹系數表示。 2.1 體積膨脹系數體積膨脹系數（V）： 相當于溫度升高相當于溫度升高1時物體體積的相對增時物體體積的相對增大值。大值。 由于總有內能存在，物質的每個粒子由于總有內能存在，物質的每個粒子

5、都在振動。都在振動。 當物質受熱時，由于溫度升高，每個粒子當物質受熱時，由于溫度升高，每個粒子的熱能增大，導致振幅也隨之增大，由（非簡諧）的熱能增大，導致振幅也隨之增大，由（非簡諧）力相互結合的兩個原子之間的距離也隨之增大，力相互結合的兩個原子之間的距離也隨之增大，物質就發生膨脹。物質就發生膨脹。物質的熱膨脹是由非簡諧（非線性）物質的熱膨脹是由非簡諧（非線性）振動引起的振動引起的。 設試體為一立方體，邊長為設試體為一立方體，邊長為L 。當溫度從。當溫度從T1上升到上升到T2時，時，體積也從體積也從V1上升到上升到V2 ，體膨脹系數，體膨脹系數 由于膨脹系數一般比較小，可忽略高階無窮小。取一級近

6、似：由于膨脹系數一般比較小，可忽略高階無窮小。取一級近似： = 3 在測量技術上，體膨脹比較難測，通常應用以上關系來在測量技術上，體膨脹比較難測，通常應用以上關系來估算材料的體膨脹系數估算材料的體膨脹系數，已足夠精確。，已足夠精確。2.2 2.2 線膨脹系數線膨脹系數（L）： 在實際工作中一般都是測定材料的線熱膨脹系數。所以對在實際工作中一般都是測定材料的線熱膨脹系數。所以對于普通材料，通常所說膨脹系數是指線膨脹系數。于普通材料，通常所說膨脹系數是指線膨脹系數。 線膨脹系數線膨脹系數是指溫度升高是指溫度升高11后，物體的相對伸后，物體的相對伸長。長。 設試體在一個方向的長度為設試體在一個方向的

7、長度為L 。當溫度從。當溫度從T1上升到上升到T2時，時，長度也從長度也從L1上升到上升到L2 ，則平均線膨脹系數，則平均線膨脹系數 無機材料的線膨脹系數一般都不大，無機材料的線膨脹系數一般都不大，數量級約為數量級約為10-5-10-6/K。 實際上，無機非金屬材料的實際上，無機非金屬材料的體積膨脹系數體積膨脹系數V 、線線膨脹系數膨脹系數L并不是一個常數，而是隨溫度稍有變化，并不是一個常數，而是隨溫度稍有變化，通常隨溫度升高而增大。通常隨溫度升高而增大。 瞬時線膨脹系數為瞬時線膨脹系數為幾種幾種無機材料無機材料的熱膨脹曲線的熱膨脹曲線3材料熱膨脹系數的檢測方法材料熱膨脹系數的檢測方法 人類很

8、早（十八世紀）就測定固體的熱膨脹。當時的測定裝置很原人類很早（十八世紀）就測定固體的熱膨脹。當時的測定裝置很原始：水平放置約始：水平放置約15厘米長的試樣，下面點燃幾支蠟燭加熱，通過齒輪機厘米長的試樣，下面點燃幾支蠟燭加熱，通過齒輪機構放大來確定試樣長度的變化。構放大來確定試樣長度的變化。 十九世紀到現在，人們創造了許多測定方法。上世紀十九世紀到現在，人們創造了許多測定方法。上世紀60年代出現了激年代出現了激光法，出現了用計算機控制或記錄處理測定數據的測量儀器。光法，出現了用計算機控制或記錄處理測定數據的測量儀器。 測定無機非金屬材料熱膨脹系數常用：千分表法、熱機測定無機非金屬材料熱膨脹系數常

9、用：千分表法、熱機械法（光學法、電磁感應法）、體積法械法（光學法、電磁感應法）、體積法 等。等。 它們的它們的共同點共同點都是試樣在加熱爐中受熱膨脹，通過頂桿都是試樣在加熱爐中受熱膨脹，通過頂桿將膨脹傳遞到檢測系統。不同之處在于檢測系統。將膨脹傳遞到檢測系統。不同之處在于檢測系統。 千分表法千分表法是用千分表直接測量試樣的伸長量。是用千分表直接測量試樣的伸長量。 光學熱機械法光學熱機械法是通過頂桿的伸長量來推動光學系統內的反是通過頂桿的伸長量來推動光學系統內的反射鏡轉動經光學放大系統而使光點在影屏上移動來測定試樣的射鏡轉動經光學放大系統而使光點在影屏上移動來測定試樣的伸長量。伸長量。 電磁感應

10、熱機械法電磁感應熱機械法是將頂桿的移動通過天平傳遞到差動變壓是將頂桿的移動通過天平傳遞到差動變壓器，變換成電訊號，經放大轉換，從而測量出試樣的伸長量。器，變換成電訊號，經放大轉換，從而測量出試樣的伸長量。 根據試樣的伸長量就可計算出線膨脹系數。根據試樣的伸長量就可計算出線膨脹系數。L / L0 = al t 試樣規格為直徑試樣規格為直徑3-8mm，長度，長度10-20mm的圓棒。的圓棒。 臥式膨脹儀臥式膨脹儀 圖43-3 示差法測定材料膨脹系數的裝置 測溫熱電偶；膨脹儀電爐；電熱絲；電流表；調壓器；電爐鐵殼；銅柱電爐芯；待測試棒；石英玻璃棒；石英玻璃管；遮熱板；鐵制支承架；千分表； 水瓶；水銀

11、溫度計； 電位差計。4示差法的測定原理（示差法的測定原理（石英膨脹儀石英膨脹儀）圖43-1 石英膨脹儀內部結構熱膨脹分析圖示差法的測定原理示差法的測定原理 由于玻璃的膨脹系數一般是由于玻璃的膨脹系數一般是石英的膨脹系數一般是石英的膨脹系數一般是 兩者的膨脹差可以測定。兩者的膨脹差可以測定。 因為因為 玻璃玻璃石英石英所以所以 L1 L2 千分表的指示為千分表的指示為 L = L1 L2 玻璃的凈伸長玻璃的凈伸長 L1 = L L2按定義，玻璃的膨脹系數按定義，玻璃的膨脹系數注：只要材料的膨脹系數小于石英的膨脹系數的處理，如： 金屬、 無機非金屬、有機材料，都可用這種膨脹儀測定。 玻璃的線膨脹系

12、數與溫度有關玻璃的線膨脹系數與溫度有關。石英玻璃的平均線膨脹系數（按下列溫度范圍取值）；石英玻璃的平均線膨脹系數（按下列溫度范圍取值）； 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，材料的平均線膨脹系數應標明溫度范圍平均線膨脹系數應標明溫度范圍，如如: ( 0300 ) = 5.710-7 / k ( 01000 ) = 5.810-7 / k 五實驗過程五實驗過程試試 樣樣 加加 工工 試樣試樣切割切割 試樣試樣研磨研磨長度測量長度測量 試樣安裝試樣安裝 設定升溫程序設定升溫程序 加熱測量加熱測量

13、 實驗過程關鍵操作實驗過程關鍵操作試試 樣樣 安安 裝裝1. 試樣加工與安裝試樣加工與安裝2. 玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數的影響玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數的影響 淬火淬火：玻璃成形后快速冷卻 精密退火精密退火：玻璃成形后緩慢冷卻2. 加熱速度對玻璃線膨脹系數的影響加熱速度對玻璃線膨脹系數的影響 在測定玻璃線膨脹系數時的升溫速度。6主要影響因素討論主要影響因素討論 玻璃的熱歷史對玻璃的熱歷史對其膨脹系數有重要的其膨脹系數有重要的影響。影響。 退火玻璃曲線發退火玻璃曲線發生曲折是由于溫度超生曲折是由于溫度超過過Tg以后，伴隨玻以后，伴隨玻璃轉變發生結構變化，璃轉變發生結構變化，膨脹更加劇烈。膨

14、脹更加劇烈。 至于急冷玻璃，至于急冷玻璃，是由于試樣存在熱應是由于試樣存在熱應變，在某溫度以上開變，在某溫度以上開始出現弛豫的結果。始出現弛豫的結果。玻璃的熱歷史玻璃的熱歷史對玻璃線膨脹系數的影響對玻璃線膨脹系數的影響加熱速度是個極重要的因素。玻加熱速度是個極重要的因素。玻璃快速加熱時，性質來不及反映璃快速加熱時，性質來不及反映該溫度的最終值。該溫度的最終值。柯爾納（柯爾納（O.Koeyner）和和沙爾芒沙爾芒（H.Salmang）在研究硅酸鹽的在研究硅酸鹽的玻璃時發現，玻璃時發現，只有以只有以 5 /分鐘分鐘的加熱速度，加熱試樣時，才能的加熱速度，加熱試樣時，才能清楚地看到清楚地看到Tg 。同樣試樣，同樣試樣，如果以如果以 8 /分鐘的分鐘的加熱速度，加熱試樣時，加熱速度，加熱試樣時， Tg根根本不顯現本不顯現。在這種情況下，玻璃。在這種情況下，玻璃在略低于在略低于Tg 溫度下就開始軟化，溫度下就開始軟化，在膨脹曲線上沒有突變。在膨脹曲線上沒有突變。. 加熱速度加熱速度5/分鐘分鐘. 加熱速度加熱速度8/分鐘分鐘. 加熱速度加熱速度？/分鐘分鐘加熱速度對玻璃線膨脹系數的影響加熱速度對玻璃線膨脹系數的影響 加熱速度減慢，加熱速度減慢， Tg下降。下降。 對于對于“堿堿-鈣鈣-硅玻璃硅玻璃”