Значения температурного коэффициента линейного расширения для материалов с разным типом химической связи

Материал	Тип химической связи	TКЛP, α∙l06К-1
Алмаз	Ковалентная	0,9
Кордиерит		1,7
Муллит		5,0
Карбид кремния		5,6
Периклаз	Ионная	13,5
Хлористый натрий		40
Железо	Металли­ческая	11,6
Свинец		29,3
Цинк		39,7
Полиметилметакрилат	Ван-дер-Ваальсовая	50
Сложный полиэфир		55 – 100
Полиэтилен		120

Влияние структуры материала на тепловое расширение следует рассматривать в двух аспектах: на микроуровне (особенности строения – решетки и анизотропия кристаллов) и на макроуровне (влияние состояния твердой фазы и наличия пористости).

ТКЛР тел кристаллической структуры значительно более высокий, чем тел такого же химического состава в аморфном состоянии. Так, ТКЛР кристаллического кварца примерно в 20 раз выше кварцевого стекла. У более сложных по составу минералов, например, альбита, при переходе в стеклообразное состояние также несколько уменьшается значение ТКЛР.

Особенности строения кристаллической решетки сильно влияют на тепловое расширение кристаллических тел. У кристаллов с кубической решеткой тепловое расширение вдоль всех кристаллографических осей одинаково и изменение их размеров при изменении температуры симметрично.

У изотропных материалов средний температурный коэффициент объемного термического расширения в ограниченном интервале температур связан с температурным коэффициентом линейного расширения и выражается соотношением: β = 3α.

Наиболее выраженное анизотропное расширение наблюдается у веществ со слоистой кристаллической решеткой, у которых химические связи настолько сильно направлены, что расширения между слоями и в плоскости слоев отличаются более, чем на порядок.

У ярко выраженных анизотропных кристаллов коэффициент α в одном из направлений может быть отрицательным, но в целом объеме он компенсируется и становится положительным, и тогда результирующий температурный коэффициент объемного расширения может быть очень низким. Такие материалы (например, кордиерит, титанат алюминия, алюмосиликаты лития и др.) обладают очень высокой термостойкостью, т.е. способностью многократно выдерживать резкие колебания температуры без разрушения структуры.

Кроме этого, у анизотропных кристаллов α различен вдоль разных кристаллографических осей, причем при более высоких температурах кристалл становится симметричнее. Другими словами, при повышении температуры кристалла уменьшается его анизотропия, что связано с полиморфизмом, т.е. способностью кристалла приобретать более устойчивую для данных условий форму.

Особенно это отчетливо прослеживается при полиморфных превращениях кварца. Как видно из рис. 40, у трех главных форм кремнезема при температуре перехода обнаруживается скачкообразное изменение температурного коэффициента линейного расширения. Особенно велик скачок ТКЛР у кварца и кристобалита, что часто обусловливает разрушение кремнеземистых огнеупоров при нагревании. Наличие тридимита в составе таких материалов существенно улучшает устойчивость изделий к изменению температуры.

Фазовый состав и макроструктура материала оказывают существенное влияние на его ТКЛР. Последний, в свою очередь, при изменении температуры определяет напряженное состояние структуры и, как следствие, прочностные характеристики материала.

Реально на границе двух фаз с разными ТКЛР при изменении температуры одновременно возникают два вида напряжений: сжимающие, действующие на фазу с высоким α, и растягивающие, действующие на другую фазу с меньшим α. При напряжениях сверх некоторого критического значения появляются трещины. В поликристаллическом теле, имеющем много подобных контактов, как правило, появляется множество мельчайших трещин, которые не концентрируют напряжения, а релаксируют их.

Рис. 40. Кривые линейного расширения кварца: 1– кристобалит,2– тридимит,3– кварц,

4– кварцевое стекло

Если поверхность контактов различных фаз велика и непрерывна, что имеет место в случае контакта керамического слоя с глазурью, то из-за разности ТКЛР слоев трещины не образуются и релаксация не наступает. Тогда напряжения суммируются и происходит отрыв слоев. Во избежание этого явления производят расчет и подбор α глазури по химическому составу с учетом α керамического черепка.

Пористость не влияет на ТКЛР в случае, если непрерывной средой является твердая фаза. Если материал состоит из слабосвязанных частиц и непрерывной средой являются поры, то α в некоторой степени зависит от размера частиц и сил их сцепления и, следовательно, от величины пор.

«Можно смело сказать: лучше держаться

такой гипотезы, которая со временем может

оказаться неверной, чем никакой»

Д.И. Менделеев