热膨胀仪在玻璃行业的应用

从热膨胀的本质和热膨胀仪的测试曲线出发，分析了热膨胀曲线对玻璃理化性能和结构的表征，简要介绍了热膨胀仪测试玻璃热收缩率的方法。热膨胀仪的应用对玻璃理化性能的表征、玻璃微观结构的研究以及对玻璃的生产调控都有一定的理论和实验指导作用。

热膨胀仪常用于测试材料的热膨胀系数，对热膨胀的理论及热膨胀的测试都有很多的研究。随着技术的不断更新和进步，热膨胀理论以及热膨胀系数的测试仪器也在不断的更新换代。热膨胀系数是材料物理性能中一个非常重要的参数，当两种不同材料的部件相熔接以及配合使用时，必须要求两者具有相近的热膨胀系数，对于特殊器件也有特殊的热膨胀系数的要求。

如制造光栅玻璃标尺时也要求玻璃有合适的热膨胀系数，制造低温多晶硅薄膜晶体管所需要的TFT玻璃需要较低的热膨胀系数，因此，热膨胀系数对材料具有十分重要的意义。

一、热膨胀的物理本质

通常物体的热胀冷缩是基本属性，热膨胀就是质点间平均距离随着温度的升高而增大现象的宏观反映，可以从两方面解释，从受力的角度看，原子中同时存在着引力和斥力，若引力与斥力相同，则原子做简谐振动，即原子向左移动的振幅和向右移动的振幅是相同的，平衡位置保持不变，但是原子还存在非简谐振动，引力和斥力是不对称的，其合力左边陡，右边缓，当温度升高时，原子振动激烈，原子向右移动的幅度更大一些，导致原子振动的平衡位置r右移，变为r0+r0，原子间距增大，宏观上显示出热膨胀现象。

从势能曲线来看，因为原子中非简谐振动的势能曲线不是严格的对称抛物线，其势能随着原子间距的减少，比随原子间距的增加而增加的更迅速，温度升高，振幅增大，能量增大，即原子的能量随着温度的增加而增加，结果就是振动原子具有相等势能的两个极端位置间的平均位置就漂移到比原平衡位置更大的值处，造成平衡位置r右移，变为r0+Dr，原子间距增大，宏观上显示出热膨胀现象。

二、热膨胀测试原理

利用热膨胀仪测试玻璃的热膨胀曲线常用的方法就是石英玻璃比较法。热膨胀仪可以根据自身配套软件自动收集温度变化过程中标样或样品的长度变化量并将数据进行二次计算，首先测定标样(石英玻璃)在升温过程中的长度变化量并将其作为基准，然后测定玻璃样品在同样的升温程序下的长度变化量，Z后，玻璃样品的热膨胀系数。

三、玻璃热膨胀曲线

1.玻璃线膨胀系数

玻璃的线膨胀系数不仅可以用来衡量玻璃热稳定性，还可以通过对玻璃热膨胀曲线的测定来确定玻璃在生产过程中工艺上的温度，为玻璃生产提供参考。

玻璃的软化温度、转变温度、退火上限温度以及退火下限温度(应变点)在玻璃热膨胀系数的曲线上都可以显示出，玻璃的这些特征点温度为玻璃的生产和调控提供一定的参考依据；此外，热膨胀曲线不仅仅可以显示玻璃的特征点温度，玻璃的热膨胀系数曲线上还可以显示任一温度点的热膨胀系数，也可以测量某个温度区间的平均热膨胀系数。通过玻璃热膨胀曲线的测定可较直观地看到玻璃在生产过程中的一些有价值的参数。

2.玻璃的膨胀与相对膨胀

膨胀是指在升温过程中，一定温度下被测玻璃样与标准样的伸长长度的差值，是玻璃在常温下与某点温度时的伸长量，玻璃的膨胀曲线可以更明确地显示出玻璃宏观上的膨胀量，更为人们所理解也更容易接受；玻璃的相对膨胀是玻璃的膨胀量与原长的比值，也可以在曲线上标注任一温度点的相对膨胀量，玻璃的相对膨胀曲线与其膨胀曲线的趋势是相同的。

四、玻璃的热收缩曲线

玻璃热收缩是玻璃在加热后冷却的过程中，在长度方向产生的收缩与加热前玻璃长度的比值，对于显示器的平板玻璃而言，必须严格控制玻璃的收缩率，如果玻璃的收缩率与电子器件不匹配或者玻璃的收缩率测试不准确，那么制作出来的电子显示器可能会出现断电问题，影响电子产品的质量和使用，因此，玻璃收缩率的准确测试十分重要。

利用热膨胀仪还可以测试电子平板玻璃的热收缩率，具体是通过热膨胀仪自带软件，记录加热前后玻璃样品长度的变化来计算其热收缩率，这种测试热收缩率的方法所需样品玻璃的尺寸较小，自动收集数据，避免人工读数的误差，精确度高。

五、影响玻璃热膨胀的因素

1.组成对玻璃热膨胀系数的影响

玻璃的组成不同，软化点不同，其膨胀系数也不同，一般来说，软化点越低，膨胀系数越大，反之亦然;对于氧化物玻璃来说，其膨胀系数主要决定于金属阳离子和氧离子之间的键强，键强越大，膨胀系数越小，这是因为玻璃中化学键强，结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，其膨胀系数就小，因此，玻璃组分中氧化物化学键键强越大，玻璃的膨胀系数越小，因此热膨胀仪的测试对分析不同氧化物对玻璃膨胀系数的影响有一定的参考作用。

2.热历史对玻璃热膨胀曲线的影响

玻璃在窑炉中熔化成玻璃液，经澄清、均化、成形等工艺过程，在高温玻璃液冷却到室温的过程中，必须经过退火才能形成合格玻璃板，退火的快慢影响着玻璃的微观结构，在玻璃的热膨胀曲线上会表现出来，对退火较慢结构较紧密的玻璃，膨胀系数大，反之，膨胀系数小，这是因为如果玻璃结构疏松，内部空隙就较多，当温度升高时，原子振幅加大，原子间距增加时，增大部分被结构内部空隙所容纳，宏观表现出的膨胀就小。

对于组成相同的玻璃，如果其退火过程不一致或者退火速率不同，其热膨胀曲线也会显示出差别。因此，热膨胀仪还可以用来研究玻璃的热历史对其结构的影响。

六、结语

热膨胀仪不仅仅可以测试玻璃任一温度点的热膨胀系数、膨胀量、相对膨胀量以及平均热膨胀系数，还可以利用热膨胀仪测试通过计算得出玻璃的热收缩率，并且对于不同组成的玻璃，其热膨胀系数是不同的，因此，对于特殊用途的玻璃，可以通过热膨胀仪的测试调控玻璃生产配方，以便获得具有合适热膨胀系数的玻璃。

此外，对于相同组成的玻璃，其热历史在热膨胀曲线上也有一定的区别，因此热膨胀仪对玻璃微结构的研究也是非常有用的。综上所述，热膨胀仪的测试结果不仅能表征玻璃的理化性能，还可以在一定程度上反映出玻璃的微观结构，并且对玻璃的生产和调控也具有一定的理论和实验指导作用。