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在热膨胀系数测试过程中,加热速率是一个重要试验设置参数,加热速率的设置直接影响热膨胀系数测量的准确性。一般来说,加热速率越小,热膨胀系数测量的准确性越高,但相应的整个测试过程时间就会很长。因此,在实际热膨胀系数测试过程中,针对不同被测材料样品,选择合理的加热速率则显着非常重要,从而实现既能保证测量的准确性,又能缩短整个测试过程时间。 一直以来,加热速率对热膨胀系数测试结果的影响只是一个公认的常识,很少看到有专项研究对这种影响进行系统性考核试验和报道。如Jankula等人的研究中[1],仅展示了不同加热速率会使相对热膨胀曲线之间产生偏移,如图1所示。即在较高加热速率下,温度在整个样品中的分布并不均匀,因此可以观察到相对膨胀的一些延迟。这种不同加热速率所带来的延迟效应在热分析测试中非常典型,可以在差热分析、热重分析和其他热分析技术中找到,但这种延迟性描述和表征并不直观,特别是在热膨胀系数测试中并不能直观描述加热速率的影响。[align=center] [img=,690,378]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002081406107187_3969_3384_3.png!w690x378.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 不同升温速率下砖坯样品的相对热膨胀变化曲线:2.5℃/分钟(灰色)和10℃/分钟(黑色)[/color][/align] 为了更直接和直观的描述加热速率对热膨胀系数测量的影响,Dulucheanu等人开展了这方面的专项研究[2],具体的实验条件如下: (1)热膨胀仪:德国NETZSCH公司Expedis DIL 402-SUPREME膨胀仪; (2)样品材料:铁素体-马氏体结构双相钢; (3)样品尺寸:圆柱形样品,直径5mm,高度25mm; (4)加热温度范围:30~980℃; (5)测试温度范围:30~700℃; (6)加热速率:1、3、5、10和30℃/min; (7)试验气氛:氮气,流速100ml/min; (8)样品负载:200mN。 在加热速率为3℃/min时,得到如图2所示的相对热膨胀曲线,并由此可计算得到30~100℃、30~200℃、30~300℃、30~400℃、30~500℃、30~600℃和30~700℃的平均线膨胀系数。[align=center][color=#990000][img=,690,466]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002081407341483_4829_3384_3.png!w690x466.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 膨胀曲线和线性热膨胀系数(CTE),温度范围为30~700℃,加热速率为3℃/分钟[/color][/align] 分别采用不同加热速率进行测试,得到相应的平均线膨胀系数测试结果,数值形式如表1所示,曲线形式如图3所示。[align=center][color=#990000]表1 不同加热速率下的平均线膨胀系数测试结果[/color][/align][align=center][color=#990000][img=,690,139]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002081408072713_661_3384_3.png!w690x139.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000][img=,690,504]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002081408542587_2405_3384_3.png!w690x504.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 平均线性热膨胀系数(CTE)随加热速率和温度范围的变化[/color][/align] 从这个直观的系列性验证试验可以看出,由于被测样品材料的内部结构和热物理性能,加热速率会对热膨胀系数测试结果产生明显影响,加热速率这一试验参数的选择不当会造成热膨胀系数测量误差极大。因此,在实际测试过程中,要根据被测材料结构和热物理性能,选择合理的加热速率。[b][color=#990000]参考文献[/color][/b] [1] Jankula M, Š íN P, PODOBA R, et al. Typical problems in push-rod dilatometry analysis[J]. Epitoanyag-Journal of Silicate Based & Composite Materials, 2013, 65(1) [2] C. Dulucheanu, T. Severin, M. Bă eș u, The Influence of Heating Rate on the Coefficient of Linear Thermal Expansion of a 0.087% C and 0.511% Mn Steel, TEHNOMUS.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]
尼龙是一种由DuPont最先研发的聚酰胺纤维(PA 6.6),最初是作为丝绸的替代品用在纺织品和绳索制造中。后来,在英语中尼龙作为一个术语表示所有线性脂肪族聚酰胺纤维,它的应用范围迅速扩大,现在被广泛应用在包装、管道和低负载机械部件等领域。玻璃纤维和碳纤维作为填料加入到尼龙中制成的复合材料具有很好的机械强度和耐热性,使其应用范围更加宽广。耐驰热机械分析仪可以作为尼龙和其他聚合物材料膨胀系数测试的有力工具。[b]测试仪器[/b]TMA 402 F1 Hyperion[b]测试条件[/b][table][tr][td=1,1,124]温度范围[/td][td=1,1,124]升降温速率[/td][td=1,1,124]气氛[/td][td=1,1,124]样品长度[/td][td=1,1,124]样品支架[/td][td=1,1,121]测量模式[/td][/tr][tr][td=1,1,124]-30℃-200℃[/td][td=1,1,124]5℃/min[/td][td=1,1,124]He,20ml/min [/td][td=1,1,124]25.02mm[/td][td=1,1,124]熔融石英[/td][td=1,1,121]拉伸模式[/td][/tr][/table][img=,590,329]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/06/201806131413202108_9987_163_3.jpg!w590x329.jpg[/img][b]结果讨论[/b]聚合物材料相对金属材料具有更高的膨胀系数,一般其膨胀系数(CTE,工程膨胀系数)在10-5 1/K-10-4 1/K范围内。示例中使用的聚酰胺样品在20℃-200℃的膨胀系数为13.5X10-5 1/K(即1.35X10-4K/min)。CTE值是指在所选温度区间内平均热膨胀系数,但因为尼龙样品在65℃(起始点)附近玻璃化转变的存在,导致热膨胀曲线呈现非线性形状,因此在温度20℃-100℃之间(玻璃化之前)的热膨胀系数值较小,约为9.9X10-5 1/K。
做高温材料线性膨胀,需要验证设备可靠性,发现厂家有多种建议,石英的或是刚玉的,但是都是给的平均线性膨胀系数。请问平均线性膨胀系数如何与温度点膨胀对应?或者说已知温度点热膨胀系数与温度的函数关系,比如y=a+bx+cx2+dx3,怎么对应到平均线性膨胀系数呢?