教案材料的热膨胀复习过程.ppt

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1、教案材料的热膨胀物体在加热或冷却时，其体积或长度要发生变化，这种由于物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。衡量物体热膨胀现象的主要参数就是热膨胀系数。一、热膨胀系数（Thermalexpansioncoefficient）式中，αl为线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的相对伸长。物体在温度T时的长度lT为1、基本定义同理，物体体积随温度的增加可表示为式中，αV为体膨胀系数，相当于温度升高1k时物体体积相对增长值。对于物体是立方体由于αl值很小，可略去以上的高次项则：与前式比较，就有以下近似关系：对于各向异性的晶体，假设各晶轴方向的线膨胀系数为：αa，αb，αc则：略去α二

2、次方以上的项，得：所以：某些无机材料热膨胀系数与温度的关系2、一般材料的膨胀系数一般固体膨胀系数在10-2~10-5(1/K)数量级，各种金属及合金膨胀系数在10-5~10-6(1/K)数量级。在仪器、仪表及电真空技术中，要求应用具有特殊膨胀系数的合金，这些合金统称为膨胀合金。膨胀合金是精密合金中的一大类，这类合金按膨胀系数大小可分为3种：（1）低膨胀合金（或称因瓦合金）：其αl(20-100℃)≤1.8×10-6/K，如含Ni36%的铁-镍合金，主要用于制造精密仪器仪表中随温度变化尺寸近似恒定的元件，如精密天平的臂、标准钟摆杆、摆轮、长度标尺、大地测量基准尺、谐振腔、微波通信的波导管

3、、标准频率发生器等，还用作热双金属的被动层。合金α/(10－6℃-1)TC或TN/℃备注Fe-36Ni≤1.8232因瓦合金Fe-32Ni-4Co≤1.0230超因瓦合金Fe-52Co-11Cr≤1.0117不锈因瓦合金Fe-36Ni-0.2Se≤1.5-易切削低膨胀合金Fe-33Ni-7.5Co≤2.0-高温低膨胀合金(20~300℃)Fe-25Pt-3080铁-铂合金Fe-35Pd0.0340铁-钯合金Fe-(28~32)Ni-(5.5~10)Pd0.5300铁-镍-钯合金(20~200℃)Pd-35.5Mn1.5-锰-钯合金Fe-94Cr-0.5Mn约0.0约50(TN)无磁因瓦

4、合金一些低膨胀系数的合金（2）定膨胀合金（或称可伐合金）：其αl(20-400℃)=(4~11)×10-6/K，这类合金的膨胀系数在某一温度范围内接近某一需要值。这种合金的膨胀系数与玻璃、陶瓷和云母等接近，可与之匹配封接，所以又称为封接合金，被广泛地应用于电子管、晶体管、集成电路等电真空器件中作封接、引线和结构材料。软玻璃的软化点为450℃，α(20~450℃)=(9~11)×10-6/K；硬玻璃的软化点为550℃，α(20~550℃)=5×10-6/K；含95%(质量分数)Al2O3的陶瓷α(20~800℃)=7×10-6/K，电真空器件通过钎焊使合金与陶瓷封接在一起。定膨胀合金性能

5、要求：膨胀系数与被封接材料匹配，塑性好，易加工，在工作的温度范围内不发生相变，有良好的导电、导热性，及较高的力学性能和加工性。用于封接的定膨胀合金有Fe-Ni、Fe-Ni-Co、Fe-Ni-Cr、Ni-Co系，还有无氧铜、钨、钼及其合金、复合材料等。（3）高膨胀合金：其αl(20-400℃)≥12×10-6/K，如Mn75Ni15Cu20的αl(20-200℃)高达23~28×10-6/K。主要用作热双金属的主动层和控温敏感元件。热双金属(片)是由两层或两层以上具有不同热膨胀系数的金属材料沿层间接触面牢固地结合在一起的片状复合材料。具有高膨胀系数的合金作主动层，具有低膨胀系数的合金作被

6、动层。。右图是热双金属片随温度变化的示意图。在室温时的状态，是平直的图a；加热时，它将变成图b的形状，具有高膨胀系数的主动层，受热时伸长较大，而具有低膨胀系数的被动层伸长较小，由于两层是牢固地结合在一起，因此，加热时使热双金属片向被动层方向弯曲；冷却时则相反，它将弯曲成图c的形状。由于热双金属片在温度变化时发生弯曲，从而产生一定的推力和位移，利用这一功能，热双金属片可实现热-机械能转换。热双金属片随温度变化示意图热双金属片被广泛地用作温度测量及自动控制设备中的热敏元件、传感器元件，实现温度指示，温度控制，程序控制和温度补偿等功能。主动层被动层主动层材料应选用具有大膨胀系数的高膨胀合金。

7、在被动层材料确定的情况下，主动层材料的膨胀系数越高，热双金属片的热敏感性越好。另外，要求两层合金都应具有较高的熔点和良好的焊接性，具有相近的弹性模量E且值很高。同时，要保证在较宽的温度范围内不发生可逆相变，否则由于相变的体积效应引起的膨胀系数的变化，导致热双金属片弯曲功能下降。被动层材料具有较小的热膨胀系数。一般选用Ni36、Ni42、Ni50合金作为热双金属片的被动层材料，这3种材料的最高使用温度范围分别为：180~200℃，340~370℃