走近低熱膨脹材料

林云志

自然界中的物質都是由原子構成的。在固體物質中，每個原子都有固定的平衡位置，并圍繞平衡位置不斷振動。物質的溫度越高，原子振動越劇烈，所以這種振動也被稱為熱振動。高溫燙手就是原子熱振動和熱量傳導的結果。

隨著溫度上升，原子運動的振幅加大、勢能上升，原子之間的平衡距離也相應延長。大多數物質的單位體積都隨著溫度的上升而增大、隨著溫度的降低而收縮，稱為熱脹冷縮。

不同的物質熱膨脹的程度不一樣。在物理學中，定義溫度每上升1℃所產生的體積或長度的變化率為體膨脹系數或線膨脹系數。一般高分子物質如橡膠、樹脂等，線膨脹系數在10-3～10-5/℃的數量級。陶瓷的線膨脹系數相對較低，在10-5～10-7/℃。金屬的線膨脹系數介于常規的高分子物質和陶瓷之間（常溫時，金的線膨脹系數是14.2×10-6/℃，鎳的是13×10-6/℃，鐵的是12×10-6/℃）。在不同的溫度下，物質的熱膨脹系數會有所變化。

溫度對物質體積的影響也影響了人們的生活。比如，墻上的裂縫在冬天會更加明顯，建設大橋或鐵路軌道要預留縫隙——這就是我們坐火車時能聽到規律的“咔嚓”聲的原因。建造房子用的鋼筋水泥不僅考慮了鋼筋的韌性和水泥的強度，而且水泥的熱膨脹系數與鋼筋一樣，這樣就避免鋼筋和水泥因為熱脹冷縮而“互相傷害”了。

日常生活中，人們感受到的溫差通常只有幾十攝氏度，物質熱脹冷縮造成的影響比較小。但在一些高精密或溫差很大的應用領域，低熱膨脹材料有重要的應用。……