α-Al2O3三种线膨胀系数研究

　　陶瓷材料的热膨胀系数是一项重要的物理性能参数,尤其是对于在温度变化较大的条件下使用的材料,研究它们的热膨胀系数的规律性,在理论和实践上都具有一定意义。材料的热膨胀系数研究经历了理论热膨胀系数研究阶段,如Gruneisen[1]给出了经典的热膨胀系数公式,Megaw[2]给出了材料热膨胀系数与键能的关系,Ruffa[3]给出了热膨胀系数与原子间距及其它热力学参数之间的关系,这些结果都反映了材料热膨胀系数的物理本质。但公式复杂,且包含未知参量,不具备实用性。为了技术应用的方便,在研究多晶材料时,一般将样品看成是各向同性的均匀介质,测量其一维的线膨胀系数[4,5]。在一些工具书上给出的往往是一些材料的平均线膨胀系数和动态线膨胀系数曲线,而对瞬态线膨胀系数研究的相对较少。本实验采用膨胀仪法[6],研究了α-Al2O3样品的三种线膨胀系数,以及它们与温度的关系,比较了动态和瞬态线膨胀系数与温度的关系曲线的不同。

　　1　实验

　　样品采用质量分数为99.9%的α-Al2O3粉料(大连路明纳米材料有限公司);干压制成57mm×5mm×45mm条状样品,将制得的样品在1 600℃烧结,测得其相对密度为90%;将烧成的样品放入热膨胀仪中进行升温膨胀实验。

　　2　结果及讨论

　　2.1　样品的平均线膨胀系数

　　材料热膨胀性能常常用平均线膨胀系数进行表征,它给出的是某一温度范围内的平均值,公式如下:

　　其中,L0为样品起始长度,dL为样品在对应温度范围内线尺寸的变化,dT为对应温度变化量。从式(1)可以看出,平均线膨胀系数反映了一定温度范围内,温度每改变1℃,样品的线尺寸相对增加值。由(1)式可得dL∝αdT,这表明样品受热膨胀时,其线尺寸变化随温度变化成直线关系。

　　图1为样品线尺寸变化与温度的关系曲线。从中可以看出,样品的线尺寸随着温度的升高而呈线性增加的趋势。在1000℃左右样品的最大膨胀率为0.74%,由公式(1),对图1中曲线线性拟合的结果表明,样品平均线膨胀系数为(7.85±0.02)×10-6/℃,此值比文献[7,8]中给出的值稍小,主要是样品未达到完全致密[9,10]。

　　2.2　样品的动态线膨胀系数

　　样品的动态线膨胀系数与温度的关系曲线为工程上常用的一条曲线,在实际应用中所使用材料在环境温度变化时,其相对于原来尺寸的膨胀量大小是所要关注的问题。因此常使用下面的公式:

　　其中α_LD为动态线膨胀系数,L_i为温度T_i时样品的线尺寸,L₀为样品初始线尺寸。由公式(1)、(2)可知

　　即平均线膨胀系数是所有温度点动态线膨胀系数的平均值。