刚玉的特性及在仪表的应用

绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物质内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪器的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等。而我们只有了解这种特性才能更好的去使用材料。

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。因此，材料的热膨胀系数具有重要的意义。

1 刚玉的热性能

热膨胀系数的意义有：

（1）提高材料的热稳定性：降低材料的线膨胀系数，提高材料的热稳定性，提高材料的使用安全性。

（2）提高材料的强度：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，体系中要采用一中间膨胀值，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，恰当地利用这个特性，可以增加制品的强度。

（3）焊接或熔接：当两种不同的材料彼此焊接或熔接时，都要求二种材料具备相近的膨胀系数。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。

（4）合理使用材料：影响工件的精度，精密量具、零件、仪表、机器等，应选用线膨胀系数小的材料，以避免在不同的温度下使用影响其精度；机械加工和装配中也应考虑材料的热膨胀性，以保证构件尺寸的准确性。

1.1 材料的热膨胀系数

材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀通常用热膨胀系数表示。

（1）体积膨胀系数（αV）：相当于温度升高1℃时物体体积的相对增大值。

由于总有内能存在，物质的每个粒子都在振动。当物质受热时，由于温度升高，每个粒子的热能增大，导致振幅也随之增大，由（非简谐）力相互结合的两个原子之间的距离也随之增大，物质就发生膨胀。物质的热膨胀是由非简谐（非线性）振动引起的。

（2）线膨胀系数（αL）

实际上，无机非金属材料的体膨胀系数αV、线膨胀系数αL并不是一个常数，而是随温度稍有变化，通常随温度升高而增大。瞬时线膨胀系数为αi=1L（a L a T）p。上图1为一些无机材料的热膨胀曲线。

1.2 固体材料热膨胀机理

固体材料人膨胀的本质是点阵结构中的质点间平衡距离随温度升高而增大，在晶格振动中近似地认为质点的热振动是简谐振动。对于简谐振动，温度的升高只能增大振幅，并不会改变平衡位置，因此质点间平均距离不会因温度升高而改变，热量变化不能改变晶体的大小和形状，也就不会有热膨胀。这样的结论显然是不正确的，造成这一错误的原因是，在晶格振动中相邻质点间的作用力，实际上是非线性，即作用力并不简单地与位移成正比。由右图可以看到，质点在平衡位置两侧时受力的情况并不对称，在质点平衡位置r0的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当rr0时，斜率较小，所以rr0时，引力随位移的增大要慢些，在这样的受力情况下，质点振动时的平衡位置就不在r0处而要向右移，因此相邻质点间平均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在r0两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动得越多，相邻质点间平均距离也就增加的越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。这些是导致热膨胀的主要原因，此外晶体中的各种热缺陷的形成将造成局部晶格的畸变和膨胀，这虽然是次要的原因，但随温度升高热缺陷浓度按指数关系增加，所以在高温时这方面的影响对某些晶体来讲也变得重要了。

1.3 热膨胀和其他性能的关系

1.3.1 热膨胀和结合能、熔点的关系

由于固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，而质点的位能性质是由质点间的结合力特性所决定的。质点间结合力越强，则位阱深而狭，升高同样的温度差Δt，质点振幅增加的比较少，故平均位置的位移量增加的较少，因此热膨胀系数较小。

一般晶体的结构类型相同时，结合能大的熔点也较高，所以通常熔点高的膨胀系数也小。根据实验还得出某些晶体热膨胀系数α与T熔间经验关系式α=0.038/T熔-7.0*10-6。

1.3.2 热膨胀和热容的关系

热膨胀是因为固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的体积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容密切相关而有着相似的规律。下图表示Al2O3的热膨胀系数和热容对温度的关系曲线，可以看出这两条曲线近于平行、变化趋势相同，即两者的比值接近于恒值，其他的物质也有类似的规律。在0K时，α与C都趋于零。通常由于高温时有显著的热缺陷等原因，使α仍可以看到有一个连续的增加。

1.3.3 热膨胀和结构的关系

对于相同组成的物质，由于结构不同，膨胀系数也不同。通常结构紧密的晶体，膨胀系数都较大，而类似于无定形的玻璃，则往往有较小的膨胀系数。

氧离子紧密堆积的结构有高的原子堆积密度，其膨胀系数的典型数据是从室温附近的（6-8）×10-6K-1增加到德拜温度附近的（10-15）×10-6K-1。一些硅酸盐物质，因为它们的网状结构，常具有较低的密度，所以热膨胀系数也出现低得多的数值。表1列出了一些陶瓷材料的平均线膨胀系数。

对于非等轴晶系的晶体，各晶轴方向的膨胀系数不等，最显著的是层状结构的物质，如石墨，因为层内有牢固的联系，而层间的联系要弱得多，所以垂直c轴的层向膨胀系数为1×10-6K-1，而平行c轴垂直层向的膨胀系数高达27×10-6K-1。对于某些晶体物质，在一个方向上的膨胀系数还可能出现负值，容积膨胀系数极小。对于β-锂霞石甚至出现负的膨胀系数，这些都是由于存在着很大的各项异性的结构的缘故，因此这些材料往往存在着高的内应力。某些各项异性晶体的主膨胀系数见表2。

1.3.4 刚玉的特性

刚玉（CorundumКорунд）名称源于印度，是成分为铝的氧化物（Al2O3）矿物，晶体属三方晶系，多呈腰鼓形的六方柱状，有的呈针状或板状，集合体呈块状或柱状，通常呈白、灰、黄等色。刚玉的晶体形态是晶体结构的反映，具有L33L23PC的对要素，呈现桶状、六方柱状、六方双锥，常出现平行于柱面、锥面的色环（色带）。刚玉为玻璃光泽，但因常存在依底面或菱面体面形成的聚片双晶而出现裂理。

自然界存在的刚玉属a-Al2O3，金属铝在氧气中燃烧，或将氢氧化铝灼烧至高温也能得a-Al2O3，它是氧化铝结晶形态中最稳定者，它是M2O3（M：三价的金属元素）型氧化物的代表性结构，刚玉型结构具有六方最密堆积的氧原子层，氧原子间的八面体配位的2/3空隙是由金属原子所填充，也即a-Al2O3为铝离子和氧离子形成离子结合键，铝原子受六个氧原子包围而成八面体的六配位型。其熔点2015℃，沸点2980℃，比重3.98，既不溶于水，也不溶于酸和碱，耐腐蚀和绝缘性能好，用于制造耐火材料、砂轮和绝缘材料。刚玉中因含少量杂质而显不同颜色，高温熔融得到的a-Al2O3可做人造刚玉，用于钟表和精密仪器的轴承及人造宝石。

从表中我们可以看到刚玉的线膨胀系数与温度的关系，在所测温度范围内它随着温度的升高而增大，说明刚玉材料线膨胀系数随温度变化的基本特征以及在高温下的容积有极好的稳定性。

2 刚玉在测量仪表中的应用

徐州天成氯碱有限公司白炭黑分厂，采用气相法生产白炭黑，通常所说的白炭黑，多指气相二氧化硅，，我们厂采用四氯化硅、氢气和空气合成法生产，合成炉出口温度在2000℃左右，而需要进行测试的温度压力等工艺参数有很多，但在如此高的温度和腐蚀性极强的环境中，选用保护材料成了重要的课题，也就是必须满足两个条件，通常仪表的外层多是金属材料，如316不锈钢、钽等，部分有的采用陶瓷，但这些材料不能满足测量要求，经常造成仪表损坏，给生产造成很大困惑，也就是选用材料必须满足两个条件：

（1）线膨胀系数随温度变化小

（2）化学性能稳定

通过以上分析可知，用刚玉做仪表保护管是最佳选择。