玻璃線膨脹系數(shù)測(cè)定

1、玻璃線膨脹系數(shù)測(cè)定玻璃線膨脹系數(shù)測(cè)定江蘇工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程系曹大呼 目目 錄錄1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?. 材料的熱膨脹系數(shù)材料的熱膨脹系數(shù)3. 材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法4. 示差法的測(cè)定原理示差法的測(cè)定原理5. 實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)過程6. 主要影響因素討論主要影響因素討論7. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理一目的意義熱膨脹熱膨脹 物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹熱膨脹。熱膨。熱膨脹系數(shù)是材料的主要物理性質(zhì)之一，它是衡量材料的脹系數(shù)是材料的主要物理性質(zhì)之一，它是衡量材料的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性好壞的好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。一個(gè)重

2、要指標(biāo)。提高材料的熱穩(wěn)定性提高材料的熱穩(wěn)定性 降低材料的線膨脹系數(shù)，提高材料的降低材料的線膨脹系數(shù)，提高材料的熱穩(wěn)定性，熱穩(wěn)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(qiáng)度提高材料的強(qiáng)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(shí)，由于兩種，則溫度變化時(shí)，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(chǎn)生壓應(yīng)力而另一種材料中產(chǎn)生大小相等的張應(yīng)力，而使一種材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力而另一種材料中產(chǎn)生大小相等的張應(yīng)力，恰當(dāng)?shù)乩眠@個(gè)特性，恰當(dāng)?shù)乩眠@個(gè)特性，可以增

3、加制品的強(qiáng)度可以增加制品的強(qiáng)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(duì)其實(shí)際應(yīng)用有重要意義一特性對(duì)其實(shí)際應(yīng)用有重要意義夏季高溫天氣由于熱膨脹導(dǎo)致鐵軌彎曲和火車出軌。這一問題從火車發(fā)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(yè)和儀器制造工業(yè)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(yīng)的熱膨脹系數(shù)。如果選擇材料的膨脹系數(shù)相差比較大，焊接時(shí)由于膨脹的速度不同，在焊接處產(chǎn)生應(yīng)力，降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度和氣密性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊接處脫落、炸裂、漏氣或

4、漏油。合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(shù)小的材料 例：大型加工機(jī)械 水泥路面 鋼鐵大橋 水泥大橋 大型建筑物 因此，測(cè)定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義因此，測(cè)定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義。 2 材料的熱膨脹系數(shù)材料的熱膨脹系數(shù) 材料的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為材料的體積或長(zhǎng)度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨熱膨脹。脹。熱膨脹通常用熱膨脹系數(shù)表示。熱膨脹通常用熱膨脹系數(shù)表示。 2.1 體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)（V）： 相當(dāng)于溫度升高相當(dāng)于溫度升高1時(shí)物體體積的相對(duì)增時(shí)物體體積的相對(duì)增大值。大值。 由于總有內(nèi)能存在，物質(zhì)的每個(gè)粒子由于總有內(nèi)能存在，物質(zhì)的

5、每個(gè)粒子都在振動(dòng)。都在振動(dòng)。 當(dāng)物質(zhì)受熱時(shí)，由于溫度升高，每個(gè)粒子當(dāng)物質(zhì)受熱時(shí)，由于溫度升高，每個(gè)粒子的熱能增大，導(dǎo)致振幅也隨之增大，由（非簡(jiǎn)諧）的熱能增大，導(dǎo)致振幅也隨之增大，由（非簡(jiǎn)諧）力相互結(jié)合的兩個(gè)原子之間的距離也隨之增大，力相互結(jié)合的兩個(gè)原子之間的距離也隨之增大，物質(zhì)就發(fā)生膨脹。物質(zhì)就發(fā)生膨脹。物質(zhì)的熱膨脹是由非簡(jiǎn)諧（非線性）物質(zhì)的熱膨脹是由非簡(jiǎn)諧（非線性）振動(dòng)引起的振動(dòng)引起的。 設(shè)試體為一立方體，邊長(zhǎng)為設(shè)試體為一立方體，邊長(zhǎng)為L(zhǎng) 。當(dāng)溫度從。當(dāng)溫度從T1上升到上升到T2時(shí)，時(shí)，體積也從體積也從V1上升到上升到V2 ，體膨脹系數(shù)，體膨脹系數(shù) 由于膨脹系數(shù)一般比較小，可忽略高階無窮小。

6、取一級(jí)近似：由于膨脹系數(shù)一般比較小，可忽略高階無窮小。取一級(jí)近似： = 3 在測(cè)量技術(shù)上，體膨脹比較難測(cè)，通常應(yīng)用以上關(guān)系來在測(cè)量技術(shù)上，體膨脹比較難測(cè)，通常應(yīng)用以上關(guān)系來估算材料的體膨脹系數(shù)估算材料的體膨脹系數(shù)，已足夠精確。，已足夠精確。2.2 2.2 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)（L）： 在實(shí)際工作中一般都是測(cè)定材料的線熱膨脹系數(shù)。所以對(duì)在實(shí)際工作中一般都是測(cè)定材料的線熱膨脹系數(shù)。所以對(duì)于普通材料，通常所說膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù)。于普通材料，通常所說膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù)。 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)是指溫度升高是指溫度升高11后，物體的相對(duì)伸后，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)。長(zhǎng)。 設(shè)試體在一個(gè)方向的長(zhǎng)度為設(shè)試體在一

7、個(gè)方向的長(zhǎng)度為L(zhǎng) 。當(dāng)溫度從。當(dāng)溫度從T1上升到上升到T2時(shí)，時(shí)，長(zhǎng)度也從長(zhǎng)度也從L1上升到上升到L2 ，則平均線膨脹系數(shù)，則平均線膨脹系數(shù) 無機(jī)材料的線膨脹系數(shù)一般都不大，無機(jī)材料的線膨脹系數(shù)一般都不大，數(shù)量級(jí)約為數(shù)量級(jí)約為10-5-10-6/K。 實(shí)際上，無機(jī)非金屬材料的實(shí)際上，無機(jī)非金屬材料的體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)V 、線線膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)L并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度稍有變化，并不是一個(gè)常數(shù)，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(shí)線膨脹系數(shù)為瞬時(shí)線膨脹系數(shù)為幾種幾種無機(jī)材料無機(jī)材料的熱膨脹曲線的熱膨脹曲線3材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法材料熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)方法

8、 人類很早（十八世紀(jì)）就測(cè)定固體的熱膨脹。當(dāng)時(shí)的測(cè)定裝置很原人類很早（十八世紀(jì)）就測(cè)定固體的熱膨脹。當(dāng)時(shí)的測(cè)定裝置很原始：水平放置約始：水平放置約15厘米長(zhǎng)的試樣，下面點(diǎn)燃幾支蠟燭加熱，通過齒輪機(jī)厘米長(zhǎng)的試樣，下面點(diǎn)燃幾支蠟燭加熱，通過齒輪機(jī)構(gòu)放大來確定試樣長(zhǎng)度的變化。構(gòu)放大來確定試樣長(zhǎng)度的變化。 十九世紀(jì)到現(xiàn)在，人們創(chuàng)造了許多測(cè)定方法。上世紀(jì)十九世紀(jì)到現(xiàn)在，人們創(chuàng)造了許多測(cè)定方法。上世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激年代出現(xiàn)了激光法，出現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)控制或記錄處理測(cè)定數(shù)據(jù)的測(cè)量?jī)x器。光法，出現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)控制或記錄處理測(cè)定數(shù)據(jù)的測(cè)量?jī)x器。 測(cè)定無機(jī)非金屬材料熱膨脹系數(shù)常用：千分表法、熱機(jī)測(cè)定無機(jī)非金屬材料熱膨

9、脹系數(shù)常用：千分表法、熱機(jī)械法（光學(xué)法、電磁感應(yīng)法）、體積法械法（光學(xué)法、電磁感應(yīng)法）、體積法 等。等。 它們的它們的共同點(diǎn)共同點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)。不同之處在于檢測(cè)系統(tǒng)。將膨脹傳遞到檢測(cè)系統(tǒng)。不同之處在于檢測(cè)系統(tǒng)。 千分表法千分表法是用千分表直接測(cè)量試樣的伸長(zhǎng)量。是用千分表直接測(cè)量試樣的伸長(zhǎng)量。 光學(xué)熱機(jī)械法光學(xué)熱機(jī)械法是通過頂桿的伸長(zhǎng)量來推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的反是通過頂桿的伸長(zhǎng)量來推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)光學(xué)放大系統(tǒng)而使光點(diǎn)在影屏上移動(dòng)來測(cè)定試樣的射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)光學(xué)放大系統(tǒng)而使光點(diǎn)在影屏上移動(dòng)來測(cè)定試樣的伸長(zhǎng)量。伸長(zhǎng)量。

10、電磁感應(yīng)熱機(jī)械法電磁感應(yīng)熱機(jī)械法是將頂桿的移動(dòng)通過天平傳遞到差動(dòng)變壓是將頂桿的移動(dòng)通過天平傳遞到差動(dòng)變壓器，變換成電訊號(hào)，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換，從而測(cè)量出試樣的伸長(zhǎng)量。器，變換成電訊號(hào)，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換，從而測(cè)量出試樣的伸長(zhǎng)量。 根據(jù)試樣的伸長(zhǎng)量就可計(jì)算出線膨脹系數(shù)。根據(jù)試樣的伸長(zhǎng)量就可計(jì)算出線膨脹系數(shù)。L / L0 = al t 試樣規(guī)格為直徑試樣規(guī)格為直徑3-8mm，長(zhǎng)度，長(zhǎng)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(cè)定材料膨脹系數(shù)的裝置 測(cè)溫?zé)犭娕?；膨脹儀電爐；電熱絲；電流表；調(diào)壓器；電爐鐵殼；銅柱電爐芯；待測(cè)試棒；石英玻璃棒；石英玻璃管；遮熱板；鐵制支承架；千分表； 水

11、瓶；水銀溫度計(jì)； 電位差計(jì)。4示差法的測(cè)定原理（示差法的測(cè)定原理（石英膨脹儀石英膨脹儀）圖43-1 石英膨脹儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱膨脹分析圖示差法的測(cè)定原理示差法的測(cè)定原理 由于玻璃的膨脹系數(shù)一般是由于玻璃的膨脹系數(shù)一般是石英的膨脹系數(shù)一般是石英的膨脹系數(shù)一般是 兩者的膨脹差可以測(cè)定。兩者的膨脹差可以測(cè)定。 因?yàn)橐驗(yàn)?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(zhǎng)玻璃的凈伸長(zhǎng) L1 = L L2按定義，玻璃的膨脹系數(shù)按定義，玻璃的膨脹系數(shù)注：只要材料的膨脹系數(shù)小于石英的膨脹系數(shù)的處理，如： 金屬、 無機(jī)非金屬、有機(jī)材料，都可用這種膨脹儀測(cè)定。 玻璃的

12、線膨脹系數(shù)與溫度有關(guān)玻璃的線膨脹系數(shù)與溫度有關(guān)。石英玻璃的平均線膨脹系數(shù)（按下列溫度范圍取值）；石英玻璃的平均線膨脹系數(shù)（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(shù)應(yīng)標(biāo)明溫度范圍平均線膨脹系數(shù)應(yīng)標(biāo)明溫度范圍，如如: ( 0300 ) = 5.710-7 / k ( 01000 ) = 5.810-7 / k 五實(shí)驗(yàn)過程五實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量 試樣安裝試樣安裝 設(shè)定升溫程序設(shè)定升溫程序 加熱測(cè)量

13、加熱測(cè)量 實(shí)驗(yàn)過程關(guān)鍵操作實(shí)驗(yàn)過程關(guān)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(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響玻璃的熱歷史對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)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(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響加熱速度對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響 在測(cè)定玻璃線膨脹系數(shù)時(shí)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(duì)玻璃的熱歷史對(duì)其膨脹系數(shù)有重要的其膨脹系數(shù)有重要的影響。影響。 退火玻璃曲線發(fā)退火玻璃曲線發(fā)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(zhuǎn)變發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，璃轉(zhuǎn)變發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，膨脹更加

14、劇烈。膨脹更加劇烈。 至于急冷玻璃，至于急冷玻璃，是由于試樣存在熱應(yīng)是由于試樣存在熱應(yīng)變，在某溫度以上開變，在某溫度以上開始出現(xiàn)弛豫的結(jié)果。始出現(xiàn)弛豫的結(jié)果。玻璃的熱歷史玻璃的熱歷史對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響加熱速度是個(gè)極重要的因素。玻加熱速度是個(gè)極重要的因素。玻璃快速加熱時(shí)，性質(zhì)來不及反映璃快速加熱時(shí)，性質(zhì)來不及反映該溫度的最終值。該溫度的最終值?？聽柤{（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(shí)發(fā)現(xiàn)，玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有以只有以 5 /分鐘分鐘的加熱速度，加熱試樣時(shí)，才能的加熱速度，加熱試樣時(shí)，才能清楚地看到清楚地看到

15、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(shí)，加熱速度，加熱試樣時(shí)， Tg根根本不顯現(xiàn)本不顯現(xiàn)。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(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響加熱速度對(duì)玻璃線膨脹系數(shù)的影響 加熱速度減慢，加熱速度減慢， Tg下降。下降。 對(duì)于對(duì)于“堿堿-鈣鈣-硅玻璃硅玻璃”，M-符爾達(dá)（符爾達(dá)（M.Fulda）得到下列數(shù)據(jù)：得到下列數(shù)據(jù)： 這是由于玻璃快速加

16、熱時(shí)，性質(zhì)來不及反這是由于玻璃快速加熱時(shí)，性質(zhì)來不及反映該溫度下的最終值。映該溫度下的最終值。加熱速度/分鐘分鐘0.5159轉(zhuǎn)變溫度4684794934997實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 繪制膨脹曲線、計(jì)算平均線膨脹系數(shù)、求特征點(diǎn)的溫度。繪制膨脹曲線、計(jì)算平均線膨脹系數(shù)、求特征點(diǎn)的溫度。必須用必須用Origin或或Sigmaplot等科學(xué)繪圖軟件來處理數(shù)據(jù)！等科學(xué)繪圖軟件來處理數(shù)據(jù)！6x8orC6mxZRt9d#ubohbo6Mrxg(!nDYxOYa%s!L+cxbBYrvkduk3-qzI21YU9b9o4E93G2LQCpxaMnr7VPbrNnHU9(A5*qKwJ9N-TTNieh6y9

17、S6ZTD%HnVT&0RZ33GrbJCFz+VKe8YKWHleEMWhi9aENT7)JqyfITwrk!23KDybmK%V44&iox!$TUgqyYRvh7lFKh6$slohPzcJJvoHBqt*f)n70T7QqSHK!mssImUk6AOjsXjw6%XyU1xs6X!)vRJV-$jIc6Md%9rp03fgWU%mh1$awHC-Lk#cpOz+0h&UC$Z5CyeBtO7paf9n4Kc7qNU4gx1dh1p)FDTY0EOC9g$JPsBUGMR%Mj-tJ%(dz98)K#5GqQFjEdHbgtzhp#Wga+EEQN3tuexA72

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