1. 热膨胀系数

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，这是由于受热时物体结构内原子振动的幅度 随温度升高而加大所导致的，热膨胀性常用热膨胀系数α表示：

式L。为室温下的长度;∆L为温度增加∆T时的长度变化。

热膨胀系数单位一般为℃^-1，往往将数据画成线膨帐系数(以%表示)随温度而变化的曲线。陶瓷材料的线膨账系数一般都不大，其数量级约为 10^-5～10^-6°/℃。一些重要的陶瓷、金属和有机材料的热膨胀系数与温度的变化曲线如图1-19所示(Richerson,1992）。

2.热膨胀与陶瓷结构关系

通常共价键陶瓷具有较低的热膨胀系数，例如 SiC: α=4.0×10^-6/°C(20~500°C)；Si₃N₄:  α=3.2×10^-6/°C (20～1000°C）；金刚石： α= 1.0×10^-6/°C(20°C)；B₄C:α=5.0× 10-°/°C (20~-500°C）。

这是由于共价键的方向性使这类陶瓷中易产生一些空隙,受热时各原子产生振动的振幅中有一些被结构内的空隙和键角的吸收，从而使整个部件的膨脈小得多。而对于离子键陶瓷或金属材料，由于它们具有紧密堆积结构,受热时每个原子的振幅累积起来使得整个材料发生比较大的膨胩。例如常见的离子键陶瓷 Al₂O₃和Zr0₂的热膨账系数分别为10×10^-6/°C<200~1000°C)和8.6×10^-6°C<200~1000°C），均大于共价键陶瓷 SiC(4.0×10^-6/°C）和 Sig N.(3.2×10^-6/°C,20~1000°C)的热膨账系数。

对于相同组成的材料，由于结构不同,热膨胩系数也不同。通常结构紧密的晶体,热膨账系数都较大；而类似于无定形的玻璃，则往往有较小的热膨账系数。最明显的例子是SiO₂,名晶石英的热膨胩系数为 12×10^-6/°C,而石英玻璃则只有 0.5×10^-6/°C。这是由于玻璃的结构较松弛,结构内部的空隙较多，所以温度升高，原子振幅加大而原子间距增加时，部分地被结构内部的空隙所容纳，整个物体宏观的膨胩量就会小些。

对于立方晶系的单晶体和多晶陶瓷，其热膨胀系数在各个方向上均是相同的。而对于非等轴晶系的晶体，各晶轴方向的热膨胀系数是不同的,最显著的是层状结构的陶瓷材料。

例如石墨在层内是很强的共价键合,而在层与层之间都是弱的范德华力键合，因此垂直于c轴的层内热膨胀系数很小，仅为 1×10^-6/°C；而平行于c轴方向的热膨胀系数很大，达到27×10^-6/°C。此外，钛酸铝和方解石虽不像石墨那样是层状结构，而是在不同的结晶方向结合键和原子堆积差别很大,因而也具有各向异性热膨胩系数。表1-13列出一些具有各向异性非等轴晶体的热膨胀系数(Richerson,1992)。

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