從熱膨脹的本質(zhì)和熱膨脹儀的測(cè)試曲線出發(fā)，分析了熱膨脹曲線對(duì)玻璃理化性能和結(jié)構(gòu)的表征，簡(jiǎn)要介紹了熱膨脹儀測(cè)試玻璃熱收縮率的方法。熱膨脹儀的應(yīng)用對(duì)玻璃理化性能的表征、玻璃微觀結(jié)構(gòu)的研究以及對(duì)玻璃的生產(chǎn)調(diào)控都有一定的理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)作用。

熱膨脹儀常用于測(cè)試材料的熱膨脹系數(shù)，對(duì)熱膨脹的理論及熱膨脹的測(cè)試都有很多的研究。隨著技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，熱膨脹理論以及熱膨脹系數(shù)的測(cè)試儀器也在不斷的更新?lián)Q代。熱膨脹系數(shù)是材料物理性能中一個(gè)非常重要的參數(shù)，當(dāng)兩種不同材料的部件相熔接以及配合使用時(shí)，必須要求兩者具有相近的熱膨脹系數(shù)，對(duì)于特殊器件也有特殊的熱膨脹系數(shù)的要求。

如制造光柵玻璃標(biāo)尺時(shí)也要求玻璃有合適的熱膨脹系數(shù)，制造低溫多晶硅薄膜晶體管所需要的TFT玻璃需要較低的熱膨脹系數(shù)，因此，熱膨脹系數(shù)對(duì)材料具有十分重要的意義。

一、熱膨脹的物理本質(zhì)

通常物體的熱脹冷縮是基本屬性，熱膨脹就是質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨著溫度的升高而增大現(xiàn)象的宏觀反映，可以從兩方面解釋?zhuān)瑥氖芰Φ慕嵌瓤?，原子中同時(shí)存在著引力和斥力，若引力與斥力相同，則原子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即原子向左移動(dòng)的振幅和向右移動(dòng)的振幅是相同的，平衡位置保持不變，但是原子還存在非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，引力和斥力是不對(duì)稱(chēng)的，其合力左邊陡，右邊緩，當(dāng)溫度升高時(shí)，原子振動(dòng)激烈，原子向右移動(dòng)的幅度更大一些，導(dǎo)致原子振動(dòng)的平衡位置r右移，變?yōu)閞0+r0，原子間距增大，宏觀上顯示出熱膨脹現(xiàn)象。

從勢(shì)能曲線來(lái)看，因?yàn)樵又蟹呛?jiǎn)諧振動(dòng)的勢(shì)能曲線不是嚴(yán)格的對(duì)稱(chēng)拋物線，其勢(shì)能隨著原子間距的減少，比隨原子間距的增加而增加的更迅速，溫度升高，振幅增大，能量增大，即原子的能量隨著溫度的增加而增加，結(jié)果就是振動(dòng)原子具有相等勢(shì)能的兩個(gè)極端位置間的平均位置就漂移到比原平衡位置更大的值處，造成平衡位置r右移，變?yōu)閞0+Dr，原子間距增大，宏觀上顯示出熱膨脹現(xiàn)象。

二、熱膨脹測(cè)試原理

利用熱膨脹儀測(cè)試玻璃的熱膨脹曲線常用的方法就是石英玻璃比較法。熱膨脹儀可以根據(jù)自身配套軟件自動(dòng)收集溫度變化過(guò)程中標(biāo)樣或樣品的長(zhǎng)度變化量并將數(shù)據(jù)進(jìn)行二次計(jì)算，首先測(cè)定標(biāo)樣(石英玻璃)在升溫過(guò)程中的長(zhǎng)度變化量并將其作為基準(zhǔn)，然后測(cè)定玻璃樣品在同樣的升溫程序下的長(zhǎng)度變化量，Z后，玻璃樣品的熱膨脹系數(shù)。

三、玻璃熱膨脹曲線

1.玻璃線膨脹系數(shù)

玻璃的線膨脹系數(shù)不僅可以用來(lái)衡量玻璃熱穩(wěn)定性，還可以通過(guò)對(duì)玻璃熱膨脹曲線的測(cè)定來(lái)確定玻璃在生產(chǎn)過(guò)程中工藝上的溫度，為玻璃生產(chǎn)提供參考。

玻璃的軟化溫度、轉(zhuǎn)變溫度、退火上限溫度以及退火下限溫度(應(yīng)變點(diǎn))在玻璃熱膨脹系數(shù)的曲線上都可以顯示出，玻璃的這些特征點(diǎn)溫度為玻璃的生產(chǎn)和調(diào)控提供一定的參考依據(jù)；此外，熱膨脹曲線不僅僅可以顯示玻璃的特征點(diǎn)溫度，玻璃的熱膨脹系數(shù)曲線上還可以顯示任一溫度點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)，也可以測(cè)量某個(gè)溫度區(qū)間的平均熱膨脹系數(shù)。通過(guò)玻璃熱膨脹曲線的測(cè)定可較直觀地看到玻璃在生產(chǎn)過(guò)程中的一些有價(jià)值的參數(shù)。

2.玻璃的膨脹與相對(duì)膨脹

膨脹是指在升溫過(guò)程中，一定溫度下被測(cè)玻璃樣與標(biāo)準(zhǔn)樣的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度的差值，是玻璃在常溫下與某點(diǎn)溫度時(shí)的伸長(zhǎng)量，玻璃的膨脹曲線可以更明確地顯示出玻璃宏觀上的膨脹量，更為人們所理解也更容易接受；玻璃的相對(duì)膨脹是玻璃的膨脹量與原長(zhǎng)的比值，也可以在曲線上標(biāo)注任一溫度點(diǎn)的相對(duì)膨脹量，玻璃的相對(duì)膨脹曲線與其膨脹曲線的趨勢(shì)是相同的。

四、玻璃的熱收縮曲線

玻璃熱收縮是玻璃在加熱后冷卻的過(guò)程中，在長(zhǎng)度方向產(chǎn)生的收縮與加熱前玻璃長(zhǎng)度的比值，對(duì)于顯示器的平板玻璃而言，必須嚴(yán)格控制玻璃的收縮率，如果玻璃的收縮率與電子器件不匹配或者玻璃的收縮率測(cè)試不準(zhǔn)確，那么制作出來(lái)的電子顯示器可能會(huì)出現(xiàn)斷電問(wèn)題，影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量和使用，因此，玻璃收縮率的準(zhǔn)確測(cè)試十分重要。

利用熱膨脹儀還可以測(cè)試電子平板玻璃的熱收縮率，具體是通過(guò)熱膨脹儀自帶軟件，記錄加熱前后玻璃樣品長(zhǎng)度的變化來(lái)計(jì)算其熱收縮率，這種測(cè)試熱收縮率的方法所需樣品玻璃的尺寸較小，自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，避免人工讀數(shù)的誤差，精確度高。

五、影響玻璃熱膨脹的因素

1.組成對(duì)玻璃熱膨脹系數(shù)的影響

玻璃的組成不同，軟化點(diǎn)不同，其膨脹系數(shù)也不同，一般來(lái)說(shuō)，軟化點(diǎn)越低，膨脹系數(shù)越大，反之亦然;對(duì)于氧化物玻璃來(lái)說(shuō)，其膨脹系數(shù)主要決定于金屬陽(yáng)離子和氧離子之間的鍵強(qiáng)，鍵強(qiáng)越大，膨脹系數(shù)越小，這是因?yàn)椴Ａе谢瘜W(xué)鍵強(qiáng)，結(jié)合力強(qiáng)，勢(shì)能曲線深而狹窄，升高同樣的溫度，質(zhì)點(diǎn)振幅增加的較少，其膨脹系數(shù)就小，因此，玻璃組分中氧化物化學(xué)鍵鍵強(qiáng)越大，玻璃的膨脹系數(shù)越小，因此熱膨脹儀的測(cè)試對(duì)分析不同氧化物對(duì)玻璃膨脹系數(shù)的影響有一定的參考作用。

2.熱歷史對(duì)玻璃熱膨脹曲線的影響

玻璃在窯爐中熔化成玻璃液，經(jīng)澄清、均化、成形等工藝過(guò)程，在高溫玻璃液冷卻到室溫的過(guò)程中，必須經(jīng)過(guò)退火才能形成合格玻璃板，退火的快慢影響著玻璃的微觀結(jié)構(gòu)，在玻璃的熱膨脹曲線上會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)退火較慢結(jié)構(gòu)較緊密的玻璃，膨脹系數(shù)大，反之，膨脹系數(shù)小，這是因?yàn)槿绻ＡЫY(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部空隙就較多，當(dāng)溫度升高時(shí)，原子振幅加大，原子間距增加時(shí)，增大部分被結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙所容納，宏觀表現(xiàn)出的膨脹就小。

對(duì)于組成相同的玻璃，如果其退火過(guò)程不一致或者退火速率不同，其熱膨脹曲線也會(huì)顯示出差別。因此，熱膨脹儀還可以用來(lái)研究玻璃的熱歷史對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響。

六、結(jié)語(yǔ)

熱膨脹儀不僅僅可以測(cè)試玻璃任一溫度點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)、膨脹量、相對(duì)膨脹量以及平均熱膨脹系數(shù)，還可以利用熱膨脹儀測(cè)試通過(guò)計(jì)算得出玻璃的熱收縮率，并且對(duì)于不同組成的玻璃，其熱膨脹系數(shù)是不同的，因此，對(duì)于特殊用途的玻璃，可以通過(guò)熱膨脹儀的測(cè)試調(diào)控玻璃生產(chǎn)配方，以便獲得具有合適熱膨脹系數(shù)的玻璃。

此外，對(duì)于相同組成的玻璃，其熱歷史在熱膨脹曲線上也有一定的區(qū)別，因此熱膨脹儀對(duì)玻璃微結(jié)構(gòu)的研究也是非常有用的。綜上所述，熱膨脹儀的測(cè)試結(jié)果不僅能表征玻璃的理化性能，還可以在一定程度上反映出玻璃的微觀結(jié)構(gòu)，并且對(duì)玻璃的生產(chǎn)和調(diào)控也具有一定的理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)作用。