材料热膨胀系数.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,材料热膨胀系数,微系统中心 纪潇,1,主要内容,热膨胀系数,1,负热膨胀系数材料,2,零热膨胀系数材料,3,2,热膨胀系数,1,3,2,1.1,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,热膨胀系数,1,3,2,1.2,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。,L,1,、,L,2,t,1,、,t,2,温度时的样品长度；,L,0,标准温度,t,0,时的样品长度，,t,0,常取,0C,或,20C,。,表达式：,定义：当温度改变,1C,，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.,1,4,热膨胀系数,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.,7.9,110,5,热膨胀系数,1,3,2,1.3,不同材料的线膨胀系数,（来自百度文库,材料热膨胀系数,）,6,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,0-4C,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,7,1,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,(,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,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.,8,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,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,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.,9,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,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.,结构,分类,石榴石系列,-,锂霞石系列,堇青石系列,钙钛矿系列,10,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,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.,石榴石系列,a,、,b,方向收缩，,c,方向膨胀,NaZr,2,(P0,4,),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，,P0,4,四面体,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,4,4,11,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,分类,-,各向异性,-,锂霞石系列,a,、,b,方向膨胀，,c,方向收缩,4,-,锂霞石,(LiO,2,-Al,2,O,3,-SiO,2,),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.,12,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,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.,堇青石系列,a,、,b,方向膨胀，,c,方向收缩,在堇青石,(MgO-Al,2,O,3,-SiO,2,),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,轴的膨胀,和,沿,c,轴的收缩,。,堇青石晶体热膨胀示意图,(001,晶面投影,),5,5,13,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,分类,-,各向异性,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,的,AO,6,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,随着畸变的配位八面体的,规则化,而,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,2009.,4,14,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,分类,-,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,结构和,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,和,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.,15,1,负热膨胀系数材料,2,3,2.2,分类,-,各向同性,以,ZrV,2,O,7,为例简单说明：,ZrV,2,O,7,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,均匀分布,的，因此,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.,16,1,2,零热膨胀系数材料,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,而且在,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，,Fe,65,Ni,35,),具有较低的热膨胀系数,(2.0,10,-6,/C,),，在,1897,年发现之后一直应用至今。,3.1,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.,17,1,2,零热膨胀系数材料,3,3.2,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,18,1,2,零热膨胀系数材料,3,3.2,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,(-0.42.7,10,-6,/C),莫来石,(4.510,-6,/C),锆英石,(ZrSiO,4,4.110,-6,/C),堇青石,(Mg,2,Al,4,Si,5,O,18,1.310,-6,/C),钛酸铝,(Al,2,TiO,5,1.510,-6,/C),石英玻璃,(0.510,-6,/C),钙钛矿结构的,PbTiO,3,基体化合物,(0.8310,-6,/C),19,参考文献,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.,20,Thank you!,21,