熱膨脹分析儀在材料研究中的應用實例

在材料科學研究中，熱膨脹分析儀的應用廣泛，不僅可以測量材料的熱膨脹系數(shù)，還可以研究材料的熱穩(wěn)定性、相變行為、疲勞性能等；鑠思百檢測小編整理了熱膨脹分析儀在材料科學中的應用，同時還會分享一些熱膨脹分析儀在材料研究中的應用實例

一、熱膨脹分析儀基本原理

熱膨脹分析儀主要基于熱膨脹原理，通過測量材料在溫度變化時的長度變化，計算出材料的熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)是材料的一種重要性能參數(shù)，對于材料的加工、使用和設計具有重要意義。熱膨脹分析儀主要由測量系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成；測量系統(tǒng)包括傳感器、測量裝置和記錄裝置，用于實時測量材料的長度變化，溫度控制系統(tǒng)用于精確控制試驗溫度，保證試驗的準確性，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于處理測量數(shù)據(jù)，計算熱膨脹系數(shù)。

二、熱膨脹分析儀應用

1. 測量材料的熱膨脹系數(shù)

熱膨脹系數(shù)是材料在溫度變化時體積變化的程度，對于許多工程材料，如金屬、陶瓷、塑料等，熱膨脹系數(shù)是一個重要的性能參數(shù)；通過測量材料的熱膨脹系數(shù)，可以了解材料在不同溫度下的穩(wěn)定性，為材料的設計和加工提供依據(jù)。

2. 研究材料的熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性是指材料在高溫環(huán)境下的性能變化，通過熱膨脹分析儀，可以研究材料在高溫下的膨脹行為，為材料的熱穩(wěn)定性評價提供數(shù)據(jù)支持。

3. 研究材料的熱力學性能

熱膨脹分析儀可以用于研究材料的熱力學性能，如相變、析出、蠕變等；在材料的不同溫度區(qū)間，其熱力學性能可能發(fā)生顯著變化，通過熱膨脹分析儀的測量，可以了解這些變化規(guī)律，為材料的設計和應用提供參考。

4. 研究材料的疲勞性能

在循環(huán)加載過程中，材料會發(fā)生疲勞損傷，熱膨脹分析儀可以用于研究材料在疲勞加載下的熱膨脹行為，從而了解疲勞性能與溫度變化的關系。

5. 材料的熱處理工藝優(yōu)化

通過熱膨脹分析儀，可以研究不同熱處理工藝對材料熱膨脹系數(shù)的影響，為優(yōu)化熱處理工藝提供依據(jù)。

實例1：隨著時代的發(fā)展，人們對汽車的安全性和舒適性要求不斷提高，同時，對能源消耗和環(huán)境保護問題也越來越重視。因此，降低燃油消耗、提高安全性勢在必行。汽車輕量化是解決這些問題的重要辦法。將超高強鋼作為汽車結構件是實現(xiàn)輕量化的重要途徑。B1500HS 硼鋼作為一種常用的熱成形鋼，成形淬火后抗拉強度可達到1500 MPa，常被用來加工為B 柱、防撞梁、保險杠等零件。在熱沖壓零件生產(chǎn)中，通常將板料加熱至930 ℃，發(fā)生奧氏體轉變。加熱過程中發(fā)生熱膨脹，導致外輪廓和內(nèi)孔的形狀及位置發(fā)生變化，影響板料向模具投料的準確性，降低生產(chǎn)效率，嚴重時會損壞模具和設備。因此，研究硼鋼的熱膨脹性能，提高板料投放精度和穩(wěn)定性對實際的生產(chǎn)具有非常重要的經(jīng)濟價值。

安保芹等人[1]利用熱膨脹儀研究了矩形輪廓硼鋼的熱膨脹（圖7），對A、B和C三處位置分別進行了三組熱膨脹測試，并得出了對應的膨脹系數(shù)。實驗結果表明，熱膨脹系數(shù)同板料厚度沒有關系，但不同厚度的板料在轉移過程中的冷卻速度是有區(qū)別的，所以轉移6～8 s 后，不同厚度的板料的膨脹量是稍有不同的，但對于厚度為0.8～2 mm 的板料，在轉移時間6～12 s之內(nèi)，其熱膨脹量差異很小，所以，該實驗的熱膨脹系數(shù)具有普適意義。

實例2：熱障涂層技術是將耐高溫性能、抗氧化性能和隔熱性能優(yōu)越的陶瓷材料以涂層的方式涂覆在金屬基體上，以提高金屬基體的使用溫度并延長其服役壽命，最終提高其所制造器件（如發(fā)動機）工作效率的一種表面防護技術。目前廣泛用于熱障涂層的材料為Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2（YSZ），但是該材料的使用溫度上限為1200 ℃，難以滿足器件使用溫度不斷提升的實際需求，因此尋求使用溫度更高、綜合性能更好的熱障涂層用新型陶瓷材料是目前亟待解決的問題之一。

張紅菊等人[2]利用熱膨脹儀研究了稀土氧化物摻雜YSZ（GY-YSZ）作為熱障涂層材料的可能性。如圖8所示，在所測溫度內(nèi)，YSZ和GY-YSZ的整體熱膨脹系數(shù)較為接近，說明GY-YSZ與金屬粘結層具有良好的熱匹配度，可以減少熱循環(huán)過程中形成的熱應力，從而有望成為新型的熱障涂層材料。

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參考文獻

[1] 安保芹, 牟月輝, 楚淑云等人. 熱成形用硼鋼熱膨脹性能測試及應用, 鍛壓技術. 2020, 45 (6), 200-205.

[2] 張紅菊, 肖新蕊, 王煜等. 頂桿法熱膨脹系數(shù)測試在材料性能研究中的應用,理化檢驗. 2020, 56 (5), 31-35.