coefficient of thermal expansion

定義：固體在溫度每升高1K時(shí)長度或體積發(fā)生的相對(duì)變化量。分為線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)。

學(xué)科：材料科學(xué)技術(shù)_材料科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)_材料科學(xué)基礎(chǔ)_材料性能

相關(guān)名詞：線膨脹系數(shù) 熱膨脹法 熱機(jī)械分析 過盈配合

圖片來源：視覺中國

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熱膨脹系數(shù)是材料科學(xué)中衡量物體尺寸隨溫度變化能力的核心參數(shù)，其研究貫穿材料設(shè)計(jì)、性能評(píng)估、工程應(yīng)用及前沿技術(shù)創(chuàng)新。熱膨脹系數(shù)定義為材料單位溫度變化引起的長度或體積變化，分為線膨脹系數(shù)（α）和體積膨脹系數(shù)（β）。

熱膨脹系數(shù)主要測試方法有熱膨脹法、激光干涉法、熱機(jī)械分析（TMA）。熱膨脹法是通過加熱試樣并監(jiān)測其長度變化，計(jì)算線膨脹系數(shù)。激光干涉法是一種非接觸式測量，適用于高溫或易氧化材料。熱機(jī)械分析是結(jié)合動(dòng)態(tài)溫度掃描，分析材料相變與熱膨脹系數(shù)的關(guān)系。

在電子芯片封裝中，芯片與PCB基板的熱失配會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞斷裂，需要使用底部填充膠或低膨脹合金緩沖。在航天器熱控中，衛(wèi)星天線在-100℃至150℃工況下，需通過熱膨脹系數(shù)匹配設(shè)計(jì)避免信號(hào)失真。在橋梁與軌道中，預(yù)留伸縮縫以補(bǔ)償鋼材熱膨脹，防止夏季高溫下的結(jié)構(gòu)變形。在溫度測量中，雙金屬片利用不同熱膨脹系數(shù)材料的彎曲效應(yīng)，制成熱敏開關(guān)或溫度計(jì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中鋁合金缸體與鑄鐵缸套的膨脹差異可能導(dǎo)致缸套變形，需通過過盈配合補(bǔ)償。在精密機(jī)床中絲杠材料在溫升10℃時(shí)，1米行程的積累誤差達(dá)117μm，需通過閉環(huán)溫控或材料優(yōu)化。

如今，通過結(jié)合有限元分析與分子動(dòng)力學(xué)模擬，能預(yù)測復(fù)合材料在極端溫度下的線膨脹系數(shù)響應(yīng)；利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能篩選低膨脹高熵合金，加速新材料開發(fā)；開發(fā)可逆膨脹材料，可減少資源浪費(fèi)；利用余熱驅(qū)動(dòng)熱膨脹效應(yīng)發(fā)電，可推動(dòng)綠色能源技術(shù)。

熱膨脹系數(shù)作為機(jī)械系統(tǒng)在變溫環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的“溫度密碼”，其精準(zhǔn)調(diào)控已成為現(xiàn)代高端裝備性能躍升的關(guān)鍵。從傳統(tǒng)材料的改性優(yōu)化到負(fù)膨脹材料的顛覆性創(chuàng)新，從被動(dòng)補(bǔ)償?shù)街悄茏赃m應(yīng)控制，熱膨脹系數(shù)的研究不斷推動(dòng)著機(jī)械工程向高精度、高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性的方向進(jìn)化。

（延伸閱讀作者：廣東科技學(xué)院 黃志維）

責(zé)任編輯：張鵬輝