热膨胀系数的本质和影响因素

    物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象为热膨胀。热膨胀系数用来描述温度变化时材料发生膨胀或收缩程度的物理量。线（体）膨胀系数指温度升高1K时物体的长度（体积）的相对增加。

    热膨胀的本质为点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大的现象。晶格振动一般近似地认为是质点的简谐振动。事实上在晶格振动中相邻质点间的作用力是非线性的，作用力并不简单地与位移成正比。

    影响材料热膨胀的因素有很多，除了温度外还有合金成分和组成相、晶体缺陷、晶体结构等。

    组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀有明显影响。对于大多数合金来说，如合金形成均一的单相固溶体，则合金的热膨胀系数一般介于组元的热膨胀系数之间，可以用简单的相加率的关系进行计算。如果金属固溶体中加入过渡元素，则固溶体的膨胀系数变化就没有规律性。

    当金属和合金发生相变时，膨胀量和热膨胀系数也发生变化。对于一级相变，伴随着比热容的变化，相应的热膨胀系数在相变点有不连续变化，在转变点处变为无穷大。对于二级相变，膨胀系数曲线在相变点处出现拐点。

    晶体缺陷空位对热膨胀系数影响比较大。空位可以由离子辐射产生，也可以由高温淬火产生，空位的产生可以导致热膨胀系数的增加。

    晶体结构组成相同，结构不同的物质，膨胀系数不相同。一般情况下，结构紧密的晶体，膨胀系数较大；而类似于无定形的玻璃，往往具有较小的膨胀系数。结构紧密的多晶二元化合物都具有比玻璃大的膨胀系数。

    晶体具有各向异性，弹性模量较高的方向将有较小的膨胀系数。如刚玉在垂直于C轴方向膨胀系数为8.3×10^-6，而在平行于C轴方向，膨胀系数为9.0×10^-6。

    对于铁磁性合金由于铁磁转变出现反常，存在膨胀峰和反膨胀峰。出现反常的原因在于磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。利用这一特性可以得到在一定温度范围内热膨胀系数基本不变的可伐合金。

    在精密仪器仪表中，对尺寸变化要求很高。因此要求尺寸随温度变化非常小。为此人们开发了低膨胀合金因瓦合金。因瓦合金主要成分为Fe-Ni合金。因瓦合金的低膨胀效应源自磁致伸缩效应。该合金在自发磁化至饱和状态时体积发生明显的膨胀；而温度升高时，合金的自发磁化减弱，上述效应减弱，体积必然收缩；正常的热膨胀使得体积增加，二者相互作用使得热膨胀维持在一个较低的水平。

    真空电子元器件失效分析及定膨胀合金的开发在电子、电信行业中，真空电子元件使用量大。但在制备和使用过程中，经常有密封不严，真空破坏等事故。失效分析表明，元器件中使用玻璃、陶瓷、云母等绝缘材料和导电合金材料。两类材料热膨胀特性不匹配，或者随温度变化趋势不同，会造成二者膨胀变形量的不同，导致上述事故的发生。人们制备了定膨胀合金，将热膨胀系数固定在某范围内，并与玻璃匹配。定膨胀合金分为两类：①借助因瓦效应达到特定热膨胀系数的合金；②高熔点金属及合金，利用其低膨胀系数达到要求，如Ni-Mo合金。

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