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收縮膨脹系數測定方法

物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹。熱膨脹系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。
　　收縮膨脹儀在實際應用中，當兩種不同的材料彼此焊接或熔接時，選擇材料的熱膨脹系數顯得尤為重要，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。在電真空工業和儀器制造工業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的熱膨脹系數；如果選擇材料的膨脹系數相差比較大，焊接時由于膨脹的速度不同，在焊接處產生應力，降低了材料的機械強度和氣密性，嚴重時會導致焊接處脫落、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，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生壓應力而另一種材料中產生大小相等的張應力，恰當地利用這個特性，可以增加制品的強度。因此，測定材料的熱膨脹系數具有重要的意義。
　　收縮膨脹儀目前，測定材料線膨脹系數的方法很多，有示差法（或稱“石英膨脹計法”）、雙線法、光干涉法、重量溫度計法等。在所有這些測試方法中，以示差法具有廣泛的實用意義。國內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型晶體管式自動熱膨脹儀）兩種。有工廠的定型產品，也有自制的石英膨脹計。此外，雙線法在生產中也是一種快速測量法。本實驗采用示差法。

收縮膨脹儀試驗目的

　　1．了解測定材料的膨脹曲線對生產的指導意義。
　　2．掌握示差法和雙線法測定熱膨脹系數的原理和方法、測試要點。
　　3．利用材料的熱膨脹曲線，確定玻璃材料的特征溫度。

收縮膨脹儀試驗原理

　　一般的普通材料，通常所說膨脹系數是指線膨脹系數，其意義是溫度升高1℃時單位長度上所增加的長度，單位為厘米/厘米·度。
　　假設物理原來的長度為L0，溫度升高后長度的增加量為△L，實驗指出它們之間存在如下關系：
△L/ L0= α1 △t　　　（43-1）
式中的α1稱為線膨脹系數，也就是溫度每升高1℃時，物體的相對伸長。
　　當物體的溫度從T1上升到T2時，其體積也從V1變化為V2，則該物體在T1至T2的溫度范圍內，溫度每上升一個單位，單位體積物體的平均增長量為
β＝（V1－V2） / V1（T2－T2）　　　（43-2）
式中，β為平均體膨脹系數。
　　從測試技術來說，測體膨脹系數較為復雜。因此，在討論材料的熱膨脹系數時，常常采用線膨脹系數
α＝（L1－L2） / L1（T2－T2）　　　（43-3）
式中：α— 玻璃的平均線膨脹系數；
L1— 在溫度為T1時試樣的長度；
L2— 在溫度為T2時試樣的長度。
β與α的關系是
β＝３α＋３α2·△T2 ＋α3·△T3　　　（43-4）
方程（43-4）中的第二項和第三項非常小，在實際中一般略去不計，而取β≈３α。
必須指出,由于膨脹系數實際上并不是一個恒定的值,而是隨溫度變化的，所以上述膨脹系數都是具有在一定溫度范圍△t內的平均值的概念，因此使用時要注意它適用的溫度范圍。
表43-1一些材料的膨脹系

　　收縮膨脹儀示差法是基于采用熱穩定性良好的材料石英玻璃（棒和管）在較高溫度下，其線膨脹系數隨溫度而改變的性質很小，當溫度升高時，石英玻璃與其中的待測試樣與石英玻璃棒都會發生膨脹，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生移動，這個移動是石英玻璃管、石英玻璃棒和待測試樣三者的同時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，測定出這個系統的伸長之差值及加熱前后溫度的差數，并根據已知石英玻璃的膨脹系數，便可算出待測試樣的熱膨脹系數。

圖43-1
石英膨脹儀內部結構熱膨脹分析圖

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為
ΔＬ＝ΔＬ1 －ΔＬ2
由此得：ΔＬ1＝ΔＬ＋ΔＬ2
根據定義，待測試樣的線膨脹系數
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α可按下式計算：
α＝α石＋ΔＬ/Ｌ（ｔ2－ｔ1）　　　（43-5）
式中：α石—石英玻璃的平均線膨脹系數（按下列溫度范圍取值）；
5.7×10-7 度-1　　（０～３００℃）
5.9×10-7 度-1　　（０～４００℃）
5.8×10-7 度-1　　（０～１０００℃）
5.97×10-7 度-1　　（２００～７００℃）
t1—開始測定時的溫度；
t2——一般定為３００℃（若需要，也可定為其它溫度）；
ΔＬ— 試樣的伸長值，即對應于溫度t2與t1時千分表讀數之差值，以毫米記錄；
Ｌ— 試樣的原始長度，毫米。
這樣，將實驗數據在直角座標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，對于玻璃材料還可以得出其特征溫度Ｔｇ與Ｔｆ。

實驗儀器及設備

　　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、電流表、２ＫＶＡ調壓器等）坩堝、匣缽等
　　6．收縮膨脹儀儀器裝置如圖43-3所示。

收縮膨脹儀實驗步驟

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動２～３圈，確定一個初讀數。
3. 裝上熱電偶，使其處在樣品正上方。
4. 接通電源，調整電流，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和爐膛溫度，直到千分表上的讀數向后退為止。
6. 實驗結束，關閉電源。

收縮膨脹儀數據處理

　　1.實驗原始數據的記錄

　　2 ．根據原始數據 , ，在直角毫米坐標紙中繪出待測材料的線膨脹曲線。確定t2 、t1 ，并根據t2 和t1 來確定 L1 和 L2 。

圖1

　　3 . 按公式計算平均膨脹系數

  用 Excel 也可以作圖和計算平均膨脹系數。
  zui后，以 3 個試樣的平均值來表示實驗結果。
 
  在圖上求玻璃的轉變溫度 Tg 和膨脹軟化點溫度 Tf. 。
Tg = 496 ℃
Tf. = 544 ℃
  同樣，以 3 個試樣的平均值來表示實驗結果。
  4 ．收縮膨脹儀用 Excel 計算
   通常，要求計算的是室溫～ 300 ℃時的膨脹系數，用實驗數據在 Excel 中作圖，可得擬合計算公式，計算膨脹系數就十分方便。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