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材料热膨胀系数 微系统中心 纪潇 主要内容 3 2 1.1 背景 物体的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, 由于温度变化引起被加工和被测量对象的热变形对加工精度和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系数。 3 2 1.2 热膨胀系数 热膨胀系数 体膨胀系数 线膨胀系数（常用） 实际应用中，有两种主要的热膨胀系数。 L1、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0ºC或20ºC。 表达式： 定义：当温度改变1ºC，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/ºC [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] 3 2 1.3 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: 53-54. 7.9 1~10 3 2 1.3 不同材料的线膨胀系数 （来自百度文库《材料热膨胀系数》） 3 2 从上文可知，一般情况下，线膨胀系数α为正。也就是说温度升高体积增大。但是也有例外，当水在0-4ºC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 不同材料的线膨胀系数 1 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(αT)或体膨胀系数(βT) 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 简介 材料体积 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，晶体在a，b，c轴向上都收缩，并且收缩系数相同 随温度的升高，内部晶体沿一个或某两个轴收缩，而沿其他轴膨胀，最终使材料在整体上呈现负热膨胀 1 3 2.2 分类 负膨胀系数材料 各向异性 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 3 2.2 分类-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]. 河北大学, 2009. 1 3 2.2 分类-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. ①石榴石系列 a、b方向收缩，c方向膨胀 NaZr2(P04)3(NZP) 这种类型的化合物具有六方晶胞的石榴石结构。NZP的结构也可以看做是Na-Zr-O沿c轴方向连接成一维管状结构，[P04]四面体将管状结构沿着垂直于c轴的方向连接成三维结构，如图所示。 温度升高，Na-O键伸长,晶胞参数沿c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c轴的二维方向上发生收缩。 NZP的管状结构 [4] [4] 1 3 2.2 分类-各向异性 ② β-锂霞石系列 a、b方向膨胀，c方向收缩 [4] β-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，Li+离子有序占据在由四个氧原子配位的四面体配位中心，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，Li+离子迁移到八面体位置，八面体的空位膨胀，从而使a、b轴膨胀，c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 3 2.2 分类-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. ③堇青石系列 a、b 方向膨胀，c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)的热变形， 由于Mg-O 之间的弱键力，造成沿 a 、b轴的