[科普中国]-热膨胀玻璃

玻璃具有一定的热膨胀系数，不同的玻璃材料热膨胀系数不同。玻璃与晶体的不同之处在于原子和离子的空间排列是不规则的。因此，其热物性从理论上不能预测，表现出各种异常现象。热膨胀玻璃有零膨胀玻璃（低膨胀玻璃），高膨胀玻璃类型1。

概述固体的热膨胀与原子或离子的热振动，特别是非谐和振动有关。热力学温度处于OK时，原子不发生振动，对应能量曲线底部的能量状态有一结合长度。温度升高，能量水平提高，原子开始振动。结合能曲线的形状左右对称，即处于谐和振动时，原子即使发生振动，平均原子间距也不会变化，不产生热膨胀。但实际上，能量曲线左右不对称，产生非谐和振动。因此，随着温度升高，原子振动加大，原子间结合距离加长产生热膨胀。能量曲线的底部接近于左右对称的放射线。因此，完全结晶的固体热膨胀系数在绝对零度时为零，随温度升高，结合能变大，能量曲线接近深处的放射线，即产生谐和振动，热膨胀系数变小1。

类型零膨胀玻璃是指热膨胀系数较小的玻璃。玻璃与晶体的不同之处在于原子和离子的空间排列是不规则的。因此，其热物性从理论上不能预测，表现出各种异常现象。例如玻璃的热膨胀系数随温度降低而变小，但从SiO2网络形成物成分来看，玻璃在低温时有时也变为负的热膨胀。低膨胀玻璃的特点之一是耐热冲击性强，即耐急冷急热。

高膨胀玻璃是具有较高热胀性的玻璃，高膨胀玻璃用于磁头铁氧体铁芯的封接。铁氧体是由xFe2O3，（x是除Fe以外的金属离子）表示的化合物，因金属离子种类不同，具有（90一120）X10-7K-1的热膨胀系数。

磁头是由缠绕着线圈的铁氧体铁芯和其铁芯与磁带(或磁盘)接触部分设计的间隙而构成。在线圈上通入表示音像等信息的电气信号，对应这种信号在铁芯中产生磁通。这些信号在接触间隙的移动磁带上产生无数微小的磁石，同时记录了残留磁化1。

应用（1）低膨胀玻璃的特点之一是耐热冲击性强，即耐急冷急热。派莱克斯玻璃组成是以SiO2为主成分，其化学耐久性长，热膨胀系数是普通玻璃的1/3。因此成为耐热玻璃，用于烧杯等理化器皿、餐具、厨具、咖啡保温壶等。派莱克斯玻璃可耐100℃程度的急冷急热，但一般不能承受200℃以上的热冲击。

石英玻璃与上述玻璃相比，热膨胀系数更小，玻璃转变温度也高，因此将其红热的制品放入冷水中也不会炸裂。即使加热至1100℃高温也几乎不变形。因具有这些优良的耐热性能，石英玻璃在许多方面具有多种用途。如在高温下使用的理化器皿和精密的测量仪器，以及水银灯等特殊电光源玻璃都使用石英玻璃。在高温下进行精密测量要求热膨胀系数尽量接近于零，需要耐热性高的玻璃。DTA、DSC、TMA等热分析仪器必须使用石英玻璃。由于石英玻璃具有优良的热特性、包括其他优良的功能特性，因此它成为最具代表性的功能玻璃。

（2）高膨胀玻璃用于磁头铁氧体铁芯的封接。玻璃是在充分软化时流动润湿铁氧体，并填充在数毫米宽的狭小间隙沟中。要求将玻璃加热至极低黏度的温度下，玻璃在高温时会侵蚀铁氧体，扩大间隙沟的间隔，使磁头特性变差。因此需要侵蚀性小的玻璃。

铁芯片滑动面研磨后需洗净，受洗净液的侵蚀，玻璃将被损坏，影响滑动面的平滑性。因此，要求玻璃的耐水性好。另外，磁头使用中滑动面是逐渐磨损，铁氧体和玻璃的耐摩擦性不一致将使磁头特性变差，要求玻璃与铁氧体具有同一程度的良好摩擦性2。

本词条内容贡献者为:

张尉 - 副教授 - 西南大学