您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
收縮膨脹系數(shù)測定方法
收縮膨脹系數(shù)測定方法
物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹,。熱膨脹系數(shù)是材料的主要物理性質(zhì)之一，它是衡量材料的熱穩(wěn)定性好壞的一個(gè)重要指標(biāo),。
收縮膨脹儀在實(shí)際應(yīng)用中,，當(dāng)兩種不同的材料彼此焊接或熔接時(shí)，選擇材料的熱膨脹系數(shù)顯得尤為重要,，如玻璃儀器,、陶瓷制品的焊接加工，都要求二種材料具備相近的膨脹系數(shù),。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,、漏氣或漏油,。如果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，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,，恰當(dāng)?shù)乩眠@個(gè)特性,，可以增加制品的強(qiáng)度。因此,，測定材料的熱膨脹系數(shù)具有重要的意義,。
收縮膨脹儀目前，測定材料線膨脹系數(shù)的方法很多,，有示差法（或稱“石英膨脹計(jì)法”）,、雙線法、光干涉法,、重量溫度計(jì)法等,。在所有這些測試方法中，以示差法具有廣泛的實(shí)用意義,。國內(nèi)外示差法所采用的測試儀器很多,，有分立式膨脹儀（如ｗｅｉｓｓ立式膨脹儀）和臥式膨脹儀（如ＨＴＶ型、ＵＢＤ型,、ＲＰＺ—１型晶體管式自動(dòng)熱膨脹儀）兩種,。有工廠的定型產(chǎn)品，也有自制的石英膨脹計(jì),。此外,，雙線法在生產(chǎn)中也是一種快速測量法。本實(shí)驗(yàn)采用示差法,。
1．了解測定材料的膨脹曲線對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義,。
2．掌握示差法和雙線法測定熱膨脹系數(shù)的原理和方法、測試要點(diǎn),。
3．利用材料的熱膨脹曲線,，確定玻璃材料的特征溫度。
一般的普通材料,，通常所說膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù),，其意義是溫度升高1℃時(shí)單位長度上所增加的長度，單位為厘米/厘米·度,。
假設(shè)物理原來的長度為L0,，溫度升高后長度的增加量為△L，實(shí)驗(yàn)指出它們之間存在如下關(guān)系：
△L/ L0= α1 △t ?。?3-1）
式中的α1稱為線膨脹系數(shù),，也就是溫度每升高1℃時(shí)，物體的相對(duì)伸長,。
當(dāng)物體的溫度從T1上升到T2時(shí),，其體積也從V1變化為V2,，則該物體在T1至T2的溫度范圍內(nèi)，溫度每上升一個(gè)單位,，單位體積物體的平均增長量為
β＝（V1－V2） / V1（T2－T2） ?。?3-2）
式中，β為平均體膨脹系數(shù),。
從測試技術(shù)來說,，測體膨脹系數(shù)較為復(fù)雜。因此,，在討論材料的熱膨脹系數(shù)時(shí),，常常采用線膨脹系數(shù)
α＝（L1－L2） / L1（T2－T2） （43-3）
式中：α— 玻璃的平均線膨脹系數(shù),；
L1— 在溫度為T1時(shí)試樣的長度,；
L2— 在溫度為T2時(shí)試樣的長度。
β與α的關(guān)系是
β＝３α＋３α2·△T2 ＋α3·△T3 ?。?3-4）
方程（43-4）中的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)非常小，在實(shí)際中一般略去不計(jì),，而取β≈３α,。
必須指出,由于膨脹系數(shù)實(shí)際上并不是一個(gè)恒定的值,而是隨溫度變化的，所以上述膨脹系數(shù)都是具有在一定溫度范圍△t內(nèi)的平均值的概念,，因此使用時(shí)要注意它適用的溫度范圍,。
表43-1一些材料的膨脹系
材料名稱 | 線膨脹系數(shù) | 材料名稱 | 線膨脹系數(shù) | 材料名稱 | 線膨脹系數(shù) |
| Al3O2 | 8.8 | ZrO2（穩(wěn)定化） | 10 | 硼硅玻璃 | 3 |
收縮膨脹儀示差法是基于采用熱穩(wěn)定性良好的材料石英玻璃（棒和管）在較高溫度下，其線膨脹系數(shù)隨溫度而改變的性質(zhì)很小,，當(dāng)溫度升高時(shí),，石英玻璃與其中的待測試樣與石英玻璃棒都會(huì)發(fā)生膨脹，但是待測試樣的膨脹比石英玻璃管上同樣長度部分的膨脹要大,。因而使得與待測試樣相接觸的石英玻璃棒發(fā)生移動(dòng),，這個(gè)移動(dòng)是石英玻璃管、石英玻璃棒和待測試樣三者的同時(shí)伸長和部分抵消后在千分表上所顯示的ΔＬ值,，它包括試樣與石英玻璃管和石英玻璃棒的熱膨脹之差值,，測定出這個(gè)系統(tǒng)的伸長之差值及加熱前后溫度的差數(shù)，并根據(jù)已知石英玻璃的膨脹系數(shù),，便可算出待測試樣的熱膨脹系數(shù),。
圖43-1
石英膨脹儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱膨脹分析圖
圖43-1是石英膨脹儀的工作原理分析圖，從圖中可見,，膨脹儀上千分表上的讀數(shù)為
ΔＬ＝ΔＬ1 －ΔＬ2
由此得：ΔＬ1＝ΔＬ＋ΔＬ2
根據(jù)定義,，待測試樣的線膨脹系數(shù)
α＝（ΔＬ＋ΔＬ2）/Ｌ·Δｔ＝（ΔＬ/Ｌ·Δｔ）＋（ΔＬ2/Ｌ·Δｔ）
其中ΔＬ2/Ｌ·Δｔ＝α石
所以α＝α石＋（ΔＬ/Ｌ·Δｔ）
若溫度差為t2 — t1，則待測試樣的平均線膨脹系數(shù)α可按下式計(jì)算：
α＝α石＋ΔＬ/Ｌ（ｔ2－ｔ1） ?。?3-5）
式中：α石—石英玻璃的平均線膨脹系數(shù)（按下列溫度范圍取值）,；
5.7×10-7 度-1 ?。ǎ啊常埃啊妫?br />5.9×10-7 度-1 （０～４００℃）
5.8×10-7 度-1 ?。ǎ啊保埃埃啊妫?br />5.97×10-7 度-1 ?。ǎ玻埃啊罚埃啊妫?br />t1—開始測定時(shí)的溫度；
t2——一般定為３００℃（若需要,，也可定為其它溫度）,；
ΔＬ— 試樣的伸長值，即對(duì)應(yīng)于溫度t2與t1時(shí)千分表讀數(shù)之差值,，以毫米記錄,；
Ｌ— 試樣的原始長度，毫米,。
這樣,，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在直角座標(biāo)系上作出熱膨脹曲線（如圖43-2所示）。就可確定試樣的線熱膨脹系數(shù),，對(duì)于玻璃材料還可以得出其特征溫度Ｔｇ與Ｔｆ,。
 |
1．待測試樣（玻璃、陶瓷等）
2．小砂輪片（磨平試樣端面用）
3．卡尺（量試樣長度用）
4．秒表（記時(shí)用）
5．石英膨脹儀（包括管式電爐,、特制石英玻璃管,、石英玻璃棒、千分表,、熱電偶,、電位差計(jì)、電流表,、２ＫＶＡ調(diào)壓器等）坩堝,、匣缽等
6．收縮膨脹儀儀器裝置如圖43-3所示。
| 圖43-3 |
1. 取直徑為５毫米，長約為60毫米的待測棒,，兩端磨平,，用千分卡尺測量其尺寸,。
2. 將試樣和石英玻璃棒,、千分表頂桿放好，使其在一條直線上,，使千分表頂緊至指針轉(zhuǎn)動(dòng)２～３圈,，確定一個(gè)初讀數(shù)。
3. 裝上熱電偶,，使其處在樣品正上方,。
4. 接通電源，調(diào)整電流,，使其以２～３℃／分鐘的速度勻速升溫,。
5. 每隔２分鐘記一次千分表的讀數(shù)和爐膛溫度，直到千分表上的讀數(shù)向后退為止,。
6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束,，關(guān)閉電源。
1.實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的記錄
溫度 ℃ | 伸長 | 溫度 | 伸長 | 溫度 | 伸長 | 溫度 | 伸長 | 溫度 | 伸長 |
| 37 | 0.1 | 131 | 4.8 | 252 | 11.5 | 377 | 18.5 | 491 | 23.2 |
| 43 | 0.2 | 140 | 5.5 | 263 | 12.3 | 391 | 19.2 | 497 | 24.0 |
| 49 | 0.5 | 151 | 5.7 | 274 | 12.9 | 403 | 20.0 | 506 | 24.6 |
| 56 | 0.9 | 162 | 6.2 | 285 | 13.9 | 414 | 20.2 | 520 | 26.0 |
| 65 | 1.1 | 172 | 6.9 | 294 | 14.3 | 423 | 21.0 | 532 | 27.2 |
| 73 | 1.6 | 184 | 7.5 | 305 | 14.8 | 433 | 21.1 | 543 | 27.4 |
| 83 | 2.1 | 197 | 8.2 | 317 | 15.4 | 446 | 21.5 | 553 | 25.5 |
| 94 | 2.8 | 209 | 8.8 | 328 | 16.0 | 458 | 22.0 | 562 | 20.9 |
| 105 | 3.2 | 219 | 9.5 | 338 | 16.6 | 468 | 22.3 |
|
|
| 114 | 3.8 | 231 | 10.1 | 348 | 17.0 | 478 | 22.8 |
|
|
| 122 | 4.2 | 242 | 10.9 | 362 | 17.8 | 485 | 23.0 |
|
|
2 ．根據(jù)原始數(shù)據(jù) , ，在直角毫米坐標(biāo)紙中繪出待測材料的線膨脹曲線,。確定t2 、t1 ,，并根據(jù)t2 和t1 來確定 L1 和 L2 。
圖1
3 . 按公式計(jì)算平均膨脹系數(shù)
α＝ α石 ＋（ L2 -L1 ） / Ｌ（t2 －t1 ） | |
| =5.8 × 10-7 + |
|
|
| |
用 Excel 也可以作圖和計(jì)算平均膨脹系數(shù),。
zui后,，以 3 個(gè)試樣的平均值來表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
在圖上求玻璃的轉(zhuǎn)變溫度 Tg 和膨脹軟化點(diǎn)溫度 Tf. ,。
Tg = 496 ℃
Tf. = 544 ℃
同樣,，以 3 個(gè)試樣的平均值來表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
4 ．收縮膨脹儀用 Excel 計(jì)算
通常,，要求計(jì)算的是室溫～ 300 ℃時(shí)的膨脹系數(shù),，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在 Excel 中作圖,，可得擬合計(jì)算公式,，計(jì)算膨脹系數(shù)就十分方便,。即
α＝ α石 ＋（ L2 － L1 ） / Ｌ（t2 －t1 ）
=5.8×10-7 +（（ 0.0555×300-2.4462 ）-（ 0.0555×20-2.4462 ）） ×0.01/（58.9×（300-20））
= 1.00×10-7 ℃ -1