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热膨胀及研究进展

2021-12-13 14:03:25 0 873

概述

物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。在相同条件下，气体膨胀最大，液体膨胀次之，固体膨胀最小。也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小。

原理

物体温度升高时，分子运动的平均动能增大，分子间的距离也增大，物体的体积随之而扩大；温度降低，物体冷却时分子的平均动能变小，使分子间距离缩短，于是物体的体积就要缩小。又由于固体、液体和气体分子运动的平均动能大小不同，因而从热膨胀的宏观现象来看亦有显着的区别。

热膨胀系数

为表征物体受热时，其长度、面积、体积变化的程度，而引入的物理量。它是线膨胀系数、面膨胀系数和体膨胀系数的总称。

意义

在实际应用中，当两种不同的材料彼此焊接或熔接时，选择材料的热膨胀系数显得尤为重要，如玻璃仪器、陶瓷制品的焊接加工，都要求两种材料具备相近的热膨胀系数。

在电真空工业和仪器制造工业中广泛地将非金属材料与各种金属焊接，也要求两者有相适应的热膨胀系数：如果选择材料的膨胀系数相差比较大，焊接时由于膨胀的速度不同，在焊接处产生应力，降低了材料的机械强度和气密性，严重时会导致焊接处脱落、炸裂、漏气或漏油。

如果层状物由两种材料迭置连接而成，则温度变化时，由于两种材料膨胀值不同，若仍连接在一起，体系中要采用——中间膨胀值，从而使一种材料中产生压应力而另一种材料中产生大小相等的张应力，恰当的利用这个特性，可以增加制品的强度。

研究应用

1.南京工业大学邵宗平、周嵬教授课团队在全球顶级科研期刊《Nature》杂志发表了题为“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”的文章。南工大的科研人员创新地提出了一种引入热膨胀补偿的策略，实现了燃料电池阴极与其他电池组件之间的完全热机械兼容，从而解决了阻碍SOFCs商业化进程的一大技术难题。

2.清华大学张一慧教授等人介绍了一种高度填充的分层超材料设计，具有热膨胀系数（CTE）大范围的可调性以及大的热变形。相关论文以题为“Designing Mechanical Metamaterials with Kirigami-Inspired, Hierarchical Constructions for Giant Positive and Negative Thermal Expansion”发表在Advanced Materials上。

优异的各向同性/各向异性CTEs、具有线性行为的大热变形、高填充率和相对快速的热响应的组合属性为航空航天、形状变形结构、生物医学器件、热开关和致动器、光学器件，和其他需要在宽温度范围内操作的可展开系统的应用提供了潜在的强大选择。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03264-1

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202004919

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