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1、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
2、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。tLLttLLL012012L1、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,2002,4:5
3、3-54.7.9 110 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(
4、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
5、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
6、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
7、-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
8、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
9、)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,20
10、09.4 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ZrV
11、2O7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
12、膨胀系数(2.010-6/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
13、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(-0.42.710-6/C)莫来石 (4.510-6/C)锆英石 (ZrSiO4,4.110-6/C)堇青石 (Mg2Al4Si5O18,1.310-6/C)钛酸铝 (Al2TiO5,1.510-6/C)石英玻璃 (0.510-6/C)钙钛矿结构的PbTiO3基体化合物(0
14、.8310-6/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,2009.5 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):18-23.6 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):691-698.7 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.