热膨胀玻璃概述

固体的热膨胀与原子或离子的热振动，特别是非谐和振动有关。热力学温度处于OK时，原子不发生振动，对应能量曲线底部的能量状态有一结合长度。温度升高，能量水平提高，原子开始振动。结合能曲线的形状左右对称，即处于谐和振动时，原子即使发生振动，平均原子间距也不会变化，不产生热膨胀。但实际上，能量曲线左右不对称，产生非谐和振动。因此，随着温度升高，原子振动加大，原子间结合距离加长产生热膨胀。能量曲线的底部接近于左右对称的放射线。因此，完全结晶的固体热膨胀系数在绝对零度时为零，随温度升高，结合能变大，能量曲线接近深处的放射线，即产生谐和振动，热膨胀系数变小 。

零膨胀玻璃是指热膨胀系数较小的玻璃。玻璃与晶体的不同之处在于原子和离子的空间排列是不规则的。因此，其热物性从理论上不能预测，表现出各种异常现象。例如玻璃的热膨胀系数随温度降低而变小，但从SiO₂网络形成物成分来看，玻璃在低温时有时也变为负的热膨胀。低膨胀玻璃的特点之一是耐热冲击性强，即耐急冷急热。

高膨胀玻璃是具有较高热胀性的玻璃，高膨胀玻璃用于磁头铁氧体铁芯的封接。铁氧体是由xFe₂O₃，（x是除Fe以外的金属离子）表示的化合物，因金属离子种类不同，具有（90一120）X10^-7K^-1的热膨胀系数。

磁头是由缠绕着线圈的铁氧体铁芯和其铁芯与磁带(或磁盘)接触部分设计的间隙而构成。在线圈上通入表示音像等信息的电气信号，对应这种信号在铁芯中产生磁通。这些信号在接触间隙的移动磁带上产生无数微小的磁石，同时记录了残留磁化 。

（1）低膨胀玻璃的特点之一是耐热冲击性强，即耐急冷急热。派莱克斯玻璃组成是以SiO2为主成分，其化学耐久性长，热膨胀系数是普通玻璃的1/3。因此成为耐热玻璃，用于烧杯等理化器皿、餐具、厨具、咖啡保温壶等。派莱克斯玻璃可耐100℃程度的急冷急热，但一般不能承受200℃以上的热冲击。

石英玻璃与上述玻璃相比，热膨胀系数更小，玻璃转变温度也高，因此将其红热的制品放入冷水中也不会炸裂。即使加热至1100℃高温也几乎不变形。因具有这些优良的耐热性能，石英玻璃在许多方面具有多种用途。如在高温下使用的理化器皿和精密的测量仪器，以及水银灯等特殊电光源玻璃都使用石英玻璃。在高温下进行精密测量要求热膨胀系数尽量接近于零，需要耐热性高的玻璃。DTA、DSC、TMA等热分析仪器必须使用石英玻璃。由于石英玻璃具有优良的热特性、包括其他优良的功能特性，因此它成为最具代表性的功能玻璃。

（2）高膨胀玻璃用于磁头铁氧体铁芯的封接。玻璃是在充分软化时流动润湿铁氧体，并填充在数毫米宽的狭小间隙沟中。要求将玻璃加热至极低黏度的温度下，玻璃在高温时会侵蚀铁氧体，扩大间隙沟的间隔，使磁头特性变差。因此需要侵蚀性小的玻璃。

铁芯片滑动面研磨后需洗净，受洗净液的侵蚀，玻璃将被损坏，影响滑动面的平滑性。因此，要求玻璃的耐水性好。另外，磁头使用中滑动面是逐渐磨损，铁氧体和玻璃的耐摩擦性不一致将使磁头特性变差，要求玻璃与铁氧体具有同一程度的良好摩擦性 。

物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(p一定)下，单位温度变化所导致的体积变化，即热膨胀系数表示热膨胀系数α=ΔV/(V*ΔT)，式中ΔV为所给温度变化ΔT下物体体积的改变，V为物体体积。

严格说来，上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似；准确定义要求ΔV与ΔT无限微小，这也意味着，

热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。温度变化不是很大时，α就成了常量，利用它，可以把固体和液体体积膨胀表示如下：

Vt=V0(1 3αΔT)，

而对理想气体，Vt=V0(1 0.00367ΔT)；Vt、V0分别为物体末态和初态的体积。

对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，这就是线膨胀系数。

对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。如石墨结构具有显著的各向异性，因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性，表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。

宏观热膨胀系数与各轴向膨胀系数的关系式有多个，普遍认可的有Mrozowski算式：α=Aαc (1-A)αa

αc,αa分别为a轴和c轴方向的热膨胀率，A被称为“结构端面”参数。

热膨胀与温度热容

格律乃森定律： 热膨胀系数与定容比热容成正比，它们有相似温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋于平缓。

热膨胀与结合能熔点

熔点较高的金属具有较低的膨胀系数。线膨胀系数和熔点的关系可由经验公式表示如下：

α₁T_m=0.022

原子间的结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。

压力保持不变时，由于温度的改变，造成固体、液体和气体发生长度或体积变化的现象。膨胀的程度用膨胀系数表示。

热膨胀固体

固体的线膨胀系数定义 l是试件的长度，T是温度,p是压强。对于每种固体，都有一个德拜特征温度,低于此特征温度时,α 随温度强烈变动；高于此特征温度时,α实际上是常数。处在室温的许多普通材料，其温度都接近或高于各自的特征温度，其长度随温度变化的规律,可用近似式l=lo(lαt)表示，式中lo为零摄氏度(0°C)时的长度，t是摄氏温度。

从微观看，固体的热膨胀是固体中相邻原子间的平均距离增大。晶体中两相邻原子间的势能是原子核间距离的函数,势能曲线是一条非对称曲线。在一定的振动能量下，两原子的距离在平衡位置附近改变着，由于势能曲线的非对称性,其平均距离r大于平衡时的距离ro；在更高的振动能量时，它们的平均距离就更大。由于振动的能量随温度升高而增大，所以两原子间的平均距离也随温度升高而增大，结果使整块固体胀大。

E.格临爱森理论指出，膨胀系数同固体比热容成正比（见非谐相互作用），在低温下（小振幅振动）膨胀系数趋于零。

纯晶体沿不同的轴向可以有不同的α 值，多晶体几乎没有各向异性的效应。

固体的面膨胀系数定义为 式中A为试件的面积。

固体的体膨胀系数定义为 式中V为试件的体积。

对于各向同性固体，α、β、γ之间的关系为 β=2α,　γ=3α。

热膨胀液体与气体

由于液体和气体没有固定的形状，只有体积随温度的变化才有意义，所以常用体膨胀系数表示它们的膨胀程度。体膨胀系数为 。

气体的γ 可通过理想气体状态方程来计算，其值与温度和压强有关。

液体的γ 与压强近似无关，主要取决于温度。液体的γ 虽然可以在相当大的温度范围内取作常数（如膨胀式温度计），但也有反常情况。例如，温度从0°C到4°C时,水的体积缩小了；在4°C以上，它又随温度上升而膨胀。前者称为水的反常膨胀。