線膨脹系數(shù)

耐火材料線膨脹系數(shù)的常用測量方法是頂桿式間接法和望遠鏡直讀法。新的激光法測定線膨脹系數(shù)也越來越受到重視。

頂桿法是一種經(jīng)典方法，采用機械測量原理，即將試樣的一端固定在支持器的端頭上，另一端與頂桿接觸，試樣、支持器和頂桿同時加熱，試樣與這些部件的熱膨脹差值被頂桿傳遞出來，并被測量。這類儀器由于試樣位置(立式或臥式)、膨脹量的測量方法(直接測量、電子或光學(xué)方法)而區(qū)分成多種型號的儀器。應(yīng)用較普遍的是電感式膨脹儀。它的傳感器是差動變壓器，也稱差動變壓器熱膨脹儀。由于頂桿和支持器尺寸較長，高溫爐的加熱條件難于使溫度分布均勻一致，頂桿和支持器之間的膨脹量難以相互抵消，所以膨脹的測量值需要校正。

望遠鏡直讀法是用雙筒望遠鏡直接觀察爐內(nèi)高溫下試樣膨脹的變化值，通過計算得到線膨脹系數(shù)。測量溫度可高達2000℃，目鏡上的測微計直接測量試樣伸長量。所用試樣較長，加熱爐要有足夠的恒溫帶。該方法的缺點是一般不易自動記錄。現(xiàn)在已發(fā)展了定時照相的自動記錄系統(tǒng)。

熱膨脹是近年發(fā)展的。它是以一激光束掃描試樣，而不斷測定試樣在加熱過程中長度的變化。由于測量精度高、計算機組成的全自動控制、記錄和多功能系統(tǒng)而受到歡迎。選擇熱膨脹測量方法時主要考慮測試范圍、待測材料的種類和特性、測量精度和靈敏度等。

1:化學(xué)礦物組成。熱膨脹系數(shù)與材料的化學(xué)組成、結(jié)晶狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、鍵的強度有關(guān)。組成相同，結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，膨脹系數(shù)不相同。通常情況下，結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大;而類似于無定形的玻璃，往往有較小的膨脹系數(shù)。鍵強度高的材料一般會有低的膨脹系數(shù)。

2:相變。材料發(fā)生相變時，其熱膨脹系數(shù)也要變化。純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，點陣結(jié)構(gòu)重排伴隨著金屬比容突變，導(dǎo)致線膨脹系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化。

3:合金元素對合金熱膨脹有影響。簡單金屬與非鐵磁性金屬組成的單相均勻固溶體合金的膨脹系數(shù)介于內(nèi)組元膨脹系數(shù)之間。而多相合金膨脹系數(shù)取決于組成相之間的性質(zhì)和數(shù)量，可以近似按照各相所占的體積百分比，利用混合定則粗略計算得到。

4:織構(gòu)的影響。單晶或多晶存在織構(gòu)，導(dǎo)致晶體在各晶向上原子排列密度有差異，導(dǎo)致熱膨脹各項異性，平行晶體主軸方向熱膨脹系數(shù)大， 垂直方向熱膨脹系數(shù)小。

5:內(nèi)部裂紋及缺陷也會對熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響。

線膨脹系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律類似于熱容的變化。a值在很低溫度時很小，隨溫度升高而很快增加，在德拜特征溫度以上時趨向于常數(shù)。線膨脹系數(shù)的絕對值與晶體結(jié)構(gòu)和鍵強度密切相關(guān)。鍵強度高的材料具有低的線膨脹系數(shù)。相對金屬材料，耐火材料的鍵強大，線膨脹系數(shù)小。一般氧化物的α值在(8~15)×10K范圍，二元硅酸鹽物質(zhì)的α值一般在(5.2~10)×10K碳化物的a值為(5~7)×10K金剛石為1×1010K石英玻璃則由于其結(jié)構(gòu)松弛，結(jié)構(gòu)中四面體的線膨脹能為結(jié)構(gòu)中的空隙所容納，而具有極小的a值(0.5×1010K非等軸晶體沿不同晶軸的a值不同，尤其是石墨這類層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。石墨的層內(nèi)結(jié)合力強，層向a值很小(1×1010K)，層間結(jié)合力很弱，層間方向a值高達27×10K對于具有很強的非等軸性的晶體，某一方向上的n值可能為負數(shù)。由各向異性多晶體組成的耐火材料和由各相a值不同的多相多晶體組成的耐火材料，在燒成冷卻過程中材料內(nèi)會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當晶界處于高的應(yīng)力狀態(tài)時，材料強度降低，甚至產(chǎn)生微裂紋。氣孔率對耐火材料的熱膨脹特性也有影響。當氣孔使材料內(nèi)顆粒間的結(jié)合變?nèi)鯐r，a值變小。而連續(xù)固相中的封閉小氣孔幾乎不影響a值。多相多晶和復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)是可以根據(jù)物相組成進行計算的。所有計算公式都以各相之間在內(nèi)應(yīng)力作用下不產(chǎn)生微裂紋為前提，所以實際上是一種近似的估算，多微裂紋的耐火材料，a的實測值和計算值的偏差可以用作衡量顯微結(jié)構(gòu)中缺陷數(shù)量的一種尺度。

線膨脹系數(shù)是耐火材料使用時應(yīng)考慮的重要性能之一。爐窯通常在常溫下砌筑，在高溫下使用時爐體膨脹。為抵消熱膨脹造成的應(yīng)力，需預(yù)留膨脹縫。線膨脹系數(shù)是預(yù)留膨脹縫和砌體總尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的關(guān)鍵參數(shù)，它與材料的抗熱震性、受熱沖擊時材料內(nèi)部熱應(yīng)力的分布和大小密切相關(guān)。在復(fù)合材料和多相材料制顯造中，必須考慮其線膨脹系數(shù)的匹配和差異對結(jié)構(gòu)、性能的影響。此外，通過對材料線膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線的測定，可以進行材料礦物分析、相變、微裂紋的愈合和擴展等的研究。

英文名:coefficient of linear expansion

物理名詞，有時也稱為線彈性系數(shù)(linear expansivity)，表示材料膨脹或收縮的程度。分為某一溫度點的線膨脹系數(shù)和某一溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)，后者稱為平均線膨脹系數(shù)。前者是單位長度的材料每升高一度的伸長量;平均線膨脹系數(shù)是單位長度的材料在某一溫度區(qū)間，每升高一度溫度的平均伸長量。

混凝土線膨脹系數(shù)測定儀滿足主要用于測定混凝土線性膨脹系數(shù)，同時可以適用于瀝青等材料，適用于室內(nèi)成型的試件和現(xiàn)場鉆取的芯樣。