另一個重要的材料參數——熱膨脹係數

2021-01-14 力學與有限元仿真

我們很早就知道一個常識，熱脹冷縮，一般加熱時，物體就會變大，冷卻時，物體就會縮小。列車鐵軌間有間隙，就是防止鐵軌受熱變形。從微觀的角度上講，物體受熱時，構成物體的分子或原子運動加劇，分子間的平均間距增加，物體膨脹。膨脹係數是表徵物體熱膨脹性質的物理量，即表徵物體受熱時其長度、面積、體積增大程度的物理量。

有限元計算時，考慮溫度載荷對固體的影響（應力應變的變化），必須定義熱膨脹係數。對於多點輸入（溫度&熱膨脹係數曲線），必須定義零應變的參考溫度（一般是室溫）。測試時，樣件一般是從零應變點開始加熱，在給定溫度下，再進行應變測量，應變的變化量和溫度變化量的比值即為熱膨脹係數。

對於固體結構，熱膨脹係數可以三種熱膨脹係數表述。線性熱膨脹係數，面積熱膨脹係數和體積熱膨脹係數。

線膨脹係數亦稱線脹係數（Coefficient oflinear thermal expansion(CLTE)）。固體物質的溫度每改變1攝氏度時，其長度的變化和它在原溫度（不一定為0℃）時長度之比，叫做「線性膨脹係數"。單位為1/℃。符號為αL。其定義式是

由於材料的不同，線膨脹係數亦不相同，其數值也與實際溫度和確定長度為初始長度時所選定的參考溫度有關，但一般變化不大，很多時候，計算簡化用恆定值。一般情況下，對於固體材料，隨溫度的增加，熱膨脹係數也是增加的。

    面積熱膨脹係數

體積熱膨脹係數，對於各向同性固體材料，體積熱膨脹係數是三倍的線性熱膨脹係數。其中液體只能用體積膨脹係數。

下面表格中，是一些常見材料的熱膨脹係數。

Material

αL (×10-6K-1)

αV (×10-6K-1)or  β(×10-6K-1)

Glass

4

13

Aluminum

24

70

Copper

17

51

Gold

14

42

Alcohol

-

750

Mercury

-

180

Water

-

200

Gas

-

3333(RT)

從上述表格中可以看出，酒精的熱膨脹係數很高，那麼酒精對溫度就很敏感，可以做酒精溫度計，可以測量溫度低的情況。

大多數情況之下，此係數為正值。也就是說溫度升高體積擴大。但是也有例外，當水在0到4攝氏度之間，會出現反膨脹。而一些陶瓷材料在溫度升高情況下，幾乎不發生幾何特性變化，其熱膨脹係數接近0。


氣體的熱膨脹

對於液體的熱膨脹，液體的體積與壓強無關，但對於氣體，氣體的體積和壓強相關，對於氣體，體積膨脹係數：



對於理想氣體：

對於固體，液體和氣體，體積熱膨脹係數通用的公式如下：

附錄一些常用的固體材料的熱膨脹係數（1e-6/K）：


相關焦點

  • 材料熱膨脹係數檢測,知多少?
    其變化能力以等壓(p一定)下，單位溫度變化所導致的長度、面積或體積的變化，即熱膨脹係數表示。熱膨脹的本質是晶體點陣結構間的平均距離隨溫度變化而變化。材料的熱膨脹通常用線膨脹係數或者體膨脹係數來表述。熱膨脹係數是材料的主要物理性質之一，它是衡量材料的熱穩定性好壞的一個重要指標。
  • 金屬的熱膨脹係數
    對材料人來說，如何判斷一種金屬的熱脹冷縮性能呢？熱膨脹係數，英文簡稱CTE，是指物質在熱脹冷縮效應作用之下，幾何特性隨著溫度的變化而發生變化的規律性係數。熱膨脹係數有三個指標，線膨脹係數（α），面膨脹係數（β），和體膨脹係數（γ）。實際應用中，α最常用，γ次之，β較少使用。
  • 廢熱回收:摻雜改變熱膨脹係數,推動GeTe熱電材料實際應用
  • 【漲知識】木材的導溫係數(熱擴散率)與熱膨脹
    木材的導溫係數（熱擴散率）導溫係數又稱為熱擴散率，它表徵材料在加熱或冷卻非穩定狀態過程中，各點溫度迅速趨於一致的能力。導溫係數越大，材料中各點達到同一溫度的速度就越快。溫度在木材中均衡傳播的能力稱木材的導溫係數，它表示木材在加熱或冷卻過程中溫度上升或下降快慢的指標。
  • 談談另一個材料基本參數——泊松比
    材料的基本參數之一，對於各向同性線彈性材料，僅需要設置，密度，楊氏模量和泊松比，那麼就可以進行有限元計算了。
  • (資料整理)各種金屬、非金屬材料的線膨脹係數
    線膨脹係數：英文名：coefficient of linear expansion物理名詞，有時也稱為線彈性係數（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係數和某一溫度區間的線膨脹係數，後者稱為平均線膨脹係數。
  • 對石墨材料進行導熱係數檢測意義何在
    石墨材料具有良好的均熱效果，可以有效防止電子產品局部過熱。另外石墨有耐高溫，熱膨脹係數小，導熱導電性好等特點。石墨材料可以沿縱向和橫向均勻導熱，屏蔽熱源改進電子產品的性能。因此在電子、通信、照明、航空及國防軍工等領域應用廣泛。
  • 合肥研究院在新型金屬負熱膨脹材料研究方面取得新進展
    近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室研究員童鵬課題組在金屬負熱膨脹（Negative thermal材料進行複合，可有效抑制PTE材料的熱膨脹甚至實現零膨脹。 　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室研究員童鵬課題組在金屬負熱膨脹（Negative thermal expansion, NTE）材料研究方面取得新進展。
  • 清華大學《Adv Mater》:大範圍正負熱膨脹係數的機械超材料!
    ，該類超材料能夠有效地將兩種緊密堆積的組成材料之間的熱不匹配，轉化為巨大的雙軸/單軸熱膨脹/收縮。該研究中報導的分層超材料與先前的報告相比，能夠大大擴大熱膨脹的可及範圍。　　大多數天然材料在加熱時各向同性地膨脹，因為分子的動能增加了它們在非拋物線原子勢中的運動範圍，從而提供了正熱膨脹係數，其中大多數在1~300 ppm K-1的範圍內。最近的研究表明，具有優化微結構結構的機械超材料可以產生非常規的熱膨脹行為。
  • 俄羅斯學者發明熱膨脹係數近零的納米陶瓷複合材料製備技術
    俄羅斯託木斯克國立大學與俄科學院西伯利亞分院強度物理和材料學研究所共同開發了熱膨脹係數近零的納米陶瓷製備技術，這種陶瓷複合材料具有極高的耐磨性，將被用來製造石油和天然氣管道新型密封元件。
  • 硼酸鹽零膨脹材料研究取得進展
    然而也有少數材料並不遵循這一基本物理規則，存在著反常的熱膨脹性質，即其體積隨著溫度的升高反常縮小（或不變）。其中，有一類材料的體積在一定溫區內保持不變，稱為零膨脹材料，在很多重要的科學工程領域具有重要的應用價值。目前已有的絕大多數零膨脹材料是通過將具有負熱膨脹性質的材料加入到其它不同材料中，通過化學修飾的手段控制其膨脹率，形成零膨脹狀態。
  • 新型表徵參數:根據密度和導熱係數關係評價材料的隔熱性能
    摘要：針對低密度隔熱材料在實際工程中的應用，介紹了兩個新型表徵參數，分別在固定厚度和固定熱阻情況下，對低密度隔熱材料進行評價、選材和優化。同時，還推薦採用瞬態法測量隔熱材料的熱擴散係數，可以在準確表徵隔熱性能的同時，還能簡化測試設備及其造價。1.
  • 金屬所材料熱物理性能測試研究五十年
    衛星裙部熱控材料鉬合金板材厚度僅幾個毫米，熱導、比熱、模量、熱膨脹、熱輻射等性能均是必不可少的設計參數，1960年代建立的測試方法已不能滿足板材熱物性的需求。於是雷射熱導，銅卡計比熱，板材示差法和直測法線膨脹，電熱穩態法半球發射率，彎曲共振法彈性模量等一系列測試裝置相繼建成。
  • 材料的摩擦係數與溫度的關係
    1、摩擦係數 摩擦係數是對兩表面摩擦力的一種量度，它表徵了材料的摩擦行為。薄膜表面的摩擦係數取決於薄膜表面的粘著性（表面張力和結晶度）、添加劑（爽滑劑、顏料等）、以及表面拋光。
  • 大棚縮口機滄州實體廠家產品較低的熱膨脹係數
    大棚縮口機滄州實體廠家產品較低的熱膨脹係數   大棚縮口機滄州實體廠家產品較低的熱膨脹係數    一般的大棚骨架的形狀主要從幾個角度考慮:跨度要滿足土地寬度，高度達到使用要求，弧度考慮太陽的入射角度，曲線要適合抵禦風，雪，雨，雹，於是便有了「肩」的概念
  • 汽輪機運行工況分析(八)熱應力、熱膨脹、熱變形分析
    ⑵汽缸膨脹變化的影響：（汽輪機汽缸詳解）①  汽缸受熱以後在長、寬、高几個方面都要膨脹，滑銷系統的合理布置，滿足了汽缸幾個方向上的自由膨脹的要求，保證汽輪機與發電機，轉子與靜子部分以及軸承座中心一致，使汽缸在加熱和冷卻時不發生過大的應力和變形。汽缸膨脹值的大小，取決於汽缸的長度和汽缸金屬材料的線膨脹係數及汽缸金屬溫度。
  • 史上最全的建築節能常用材料熱工性能指標參數介紹
    今天中國保溫網小編將為大家分享的是在我們做建築節能設計和選材時經常遇到的問題，就是如何界定這些材料的熱工性能參數。這個表格裡共展示了材料的名稱、容重、導熱係數、蓄熱係數、熱工計算時的修正係數等指標。
  • 中科院合肥研究院在金屬負膨脹材料研究方面取得系列進展
  • 硼酸鹽零膨脹新材料:可用於低溫高精度光學儀器
    然而也有少數材料並不遵循這一基本物理規則，存在著反常的熱膨脹性質，即其體積隨著溫度的升高反常縮小(或不變)。其中，有一類材料的體積在一定溫區內保持不變，稱為零膨脹材料，在很多重要的科學工程領域具有重要的應用價值。目前已有的絕大多數零膨脹材料是通過將具有負熱膨脹性質的材料加入到其它不同材料中，通過化學修飾的手段控制其膨脹率，形成零膨脹狀態。
  • igbt主要材料及參數介紹
    打開APP igbt主要材料及參數介紹 發表於 2017-12-14 15:56:20 　　IGBT模塊的材料參數 　　目前，功率器件和模塊均採用引線鍵合的互連工藝和平面封裝結構。圖1為普通IGBT模塊的解剖圖。 　　 　　圖1 IGBT模塊結構示意圖 　　從上圖本文可以看出，IGBT模塊共由7層結構構成，大致可以分成三部分：晶片，DBC和基板。每部分之間由焊錫連接而成。