Влияние структуры материала на тепловое расширение

Эту зависимость следует рассмотреть в двух аспектах: на микроуровне (особенности строения — решетки и анизотропия кристаллов) и на макроуровне (влияние состояния твердой фазы и наличия пористости).

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

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. Следовательно, КТР, в данном случае линейный (a), оказывается у таких кристаллов однозначным в любом направлении.

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

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 при повышении температуры приобретать более устойчивую для данных условий форму. Особенно это отчетливо прослеживается при полиморфных превращениях кварца и диоксида циркония.

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 (табл. 4.3.).

Таблица 4.3. Коэффициенты линейного температурного расширения некоторых анизотропных минералов

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 коэффициент объемного термического расширения, β может быть очень низким. Такие материалы (например, кордиерит, титанат алюминия, алюмосиликаты лития и др.) обладают очень высокой термостойкостью, т.е. способностью многократно выдерживать без разрушения структуры резкие колебания температуры.

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

Реально на границе двух фаз с разными КТР 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.

Если поверхность контактов различных фаз велика и непрерывна, что имеет место в случае контакта керамического слоя с глазурью, то трещины из-за разности коэффициентов термического расширения слоев 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 черепка.

Пористость не влияет на α 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.

Теплопроводность

Основные понятия, термины, определения

Теплопроводность является физическим свойством материалов, связанным с переносом в них тепловой энергии за счет взаимодействия их мельчайших частиц (атомов, ионов, электронов, молекул).

Перенос тепловой энергии осуществляется непосредственно от частиц, обладающих большей энергией, к частицам с меньшей энергией и приводит к выравниванию температуры тела. Взаимодействие частиц происходит в результате непосредственного их столкновения, при перемещении или колебании.

Когда такие условия переноса тепловой энергии выполняются и такой вид переноса является доминирующим, соблюдается закон Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока пропорционален и противоположен по направлению градиенту температуры Т(grad Т):

Q = - λ grad Т;

где λ — коэффициент теплопроводности (теплопроводность), который не зависит от grad Т, а зависит от агрегатного состояния вещества, его атомно-молекулярного строения, состава, температуры, давления и других физических показателей.