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)。

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。

那什么是熱膨脹系數(shù)呢？

熱膨脹系數(shù)是指物質(zhì)在熱脹冷縮效應(yīng)作用之下，幾何特性隨著溫度的變化而發(fā)生變化的規(guī)律性系數(shù)。

對于電子工業(yè)、機(jī)械裝配、航空航天、新材料開發(fā)、建筑工程等領(lǐng)域所使用的材料都需要充分考慮熱膨脹這一指標(biāo)，因此在材料的生產(chǎn)、加工和使用過程中，對材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測定具有十分重要的意義，下面我們通過實(shí)例來了解熱膨脹系數(shù)對材料應(yīng)用的影響吧。

1. 能夠提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性

選用較低線膨脹系數(shù)的材料，可以提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性,提高產(chǎn)品的使用安全性。

2. 能夠提高產(chǎn)品的強(qiáng)度

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。

3. 是焊接或熔接的重要參考指數(shù)

當(dāng)兩種不同的材料彼此焊接或熔接時(shí)，要求兩種材料具備相近的膨脹系數(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，會(huì)降低產(chǎn)品的機(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。

4. 為我們選用適合的材料提供依據(jù)

對于大型的加工機(jī)械、精密的儀器設(shè)備的選材，需要考慮選用膨脹系數(shù)小的材料。

因此，測定材料的熱膨脹系數(shù)意義重大。

材料熱膨脹系數(shù)表示

材料的熱膨脹系數(shù)有線性膨脹系數(shù)α、面膨脹系數(shù)β和體積膨脹系數(shù)γ。在實(shí)際應(yīng)用中人們較多關(guān)注的是線性膨脹系數(shù)α和體積膨脹系數(shù)γ：

①線膨脹系數(shù)

表示材料膨脹或收縮的程度，指溫度每升高1℃，單位長度材料的伸長量，與其在常溫時(shí)原始長度的比值。

嚴(yán)格來說，在較大的溫度區(qū)間內(nèi)，線膨脹系數(shù)通常不是常量，其數(shù)值與溫度密切相關(guān)。所以在實(shí)際應(yīng)用中，測定的是平均線膨脹系數(shù)。平均線膨脹系數(shù)指在某一溫度區(qū)間內(nèi)，溫度每升高1℃，單位長度材料的平均伸長量。

表示為：α=ΔL/(L*ΔT)

②體膨脹系數(shù)

當(dāng)物體溫度改變1℃時(shí)，其體積的變化和它在常溫時(shí)體積之比。表示為：γ=ΔV/(V*ΔT)

材料熱膨脹系數(shù)檢測

材料熱膨脹系數(shù)測定方法有千分表法、光學(xué)機(jī)械法、電磁感應(yīng)熱機(jī)械法、TMA靜態(tài)熱機(jī)械分析法等，其中TMA靜態(tài)熱機(jī)械分析法是目前最為準(zhǔn)確的測試方法。使用TMA是如何進(jìn)行測試的呢？下面我們就一起來了解一下。

美信檢測實(shí)驗(yàn)室收到客戶送檢樣品為某金屬材質(zhì)的方塊，如下圖參考圖所示，想要測試樣品的線性熱膨脹系數(shù)。

(圖片僅供參考，來源Veer)

測試標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E813-19用熱機(jī)械分析法測定固體材料線性熱膨脹的試驗(yàn)方法

檢測條件：在N?的環(huán)境下以5℃/min的速率從-100℃升到200℃

得到該材料的測試曲線圖：

最后得到該送檢樣品的線性熱膨脹系數(shù)如下表所示：

常用材料線性熱膨脹系數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)

ISO 11359-1:2014 塑料 熱機(jī)械分析（TMA）第1部分：通則

ISO 11359-2: 1999塑料-熱機(jī)械分析法（TMA）第二部分：測定線性熱膨脹系數(shù)與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的試驗(yàn)方法

ASTM E831-19 用熱機(jī)械分析法測定固體材料線性熱膨脹的試驗(yàn)方法

GB/T 4339-2008 金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測定

IPC-TM-650 2.4.24C TMA法測試玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和Z軸熱膨脹等

不同的標(biāo)準(zhǔn)對于樣品的要求和測試的升溫速度是存在差異的，因此在測試的時(shí)候需要按照不同標(biāo)準(zhǔn)的特定要求來進(jìn)行測試。

熱膨脹系數(shù)的影響因素

線膨脹系數(shù)測量過程受到多種因素的影響，試樣的加工工藝方法和形狀尺寸的差異是造成熱膨脹系數(shù)偏差大的主要原因。另外，在測量過程中，環(huán)境因素的影響包括室溫、震動(dòng)、噪音、輻射等都會(huì)使測量結(jié)果發(fā)生變化。

因此只有綜合考慮熱膨脹系數(shù)的影響因素才能有效提高線膨脹系數(shù)測量的準(zhǔn)確度。

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