[科普中国]-体积膨胀

体积膨胀是指气体、液体、固体物质随温度的升高，体积增大的现象。人们往往用体膨胀系数来表示体积膨胀和温度升高的相应关系。

显然，固体的体膨胀系数相当于其线膨胀系数的三倍。

膨胀系数随温度的变化而变化，特别在一些特殊区间，如材料的相变区，会出现一种特殊的变化规律。

因此，研究体积膨胀在固体物理，工程结构设计等多方面有广泛应用。

膨胀石墨体积膨胀率对红外遮蔽性能的影响膨胀石墨是一种具有潜在军事应用价值的新型光电无源干扰材料。依次以硝酸和磷酸、硝酸和乙酸的混酸为插层剂，高锰酸钾为氧化剂，采用分步插层法制备出了不同体积膨胀率的膨胀石墨；采用扫描电镜分析了膨胀石墨微观结构随膨胀体积的变化；采用静态测试方法测试了不同体积膨胀率膨胀石墨的红外遮蔽性能。结果表明：随膨胀体积的增大，膨胀石墨的孔隙率增大，石墨片层被充分打开；膨胀石墨对红外辐射的遮蔽性能随膨胀体积的增大而增大，当膨胀体积从233ml·g-1增大到450ml·g-1 时，其红外遮蔽率从66.43%增大到90.77%。1

膨胀石墨的微观结构分析可膨胀石墨受热膨胀后，形成疏松的蠕虫状膨胀石墨，具有清晰的网络状孔系结构。在高温汽化过程中，片层间的连接处首先被层间化合物的分解气流打开，形成了石墨膨胀的第一级孔隙；而片层有序区内部，若干亚片层之间由于受热变形，导致分开形成微胞内的第二级孔隙；由于受热不均，导致亚片层内部变形产生第三级孔隙结构，并在三级孔壁上形成纳米尺度的第四级孔隙。表面孔一般为开放孔，内部互连孔有开放孔、半封闭孔、封闭孔三种情况，其中某些开放或半开放孔可以视为一些微小的黑体空腔，其对红外辐射的吸收作用明显。

不同膨胀体积的膨胀石墨的孔结构也不同，当膨胀体积较小时，膨胀石墨层未均匀 、充分地打开，孔结构大小不 一，孔隙率较小，片层未充分膨胀打开，层壁较厚；随着膨胀体积的增大，膨胀石墨的孔结构分布趋于均匀，孔隙率增大，网络状孔系结构更丰富，形成了更多的开放孔或半开放孔，孔洞更大并有穿透，石墨片层已经充分打开，层壁更薄。1

体积膨胀率对红外遮蔽性能的影响为研究不同体积膨胀率的胀石墨的红外遮蔽性能，根据热像仪测试得到的目标和背景等效黑体温度，定义红外遮蔽率。在材料布撒用量相同的情况下，膨胀石墨的膨胀体积从233ml·g -1增大到450ml·g -1时，其红外遮蔽率从66.43%增大到90.77%，膨胀石墨的红外遮蔽率随膨胀体积的增大而增大。

根据烟幕消光理论，在单次散射情况下，烟幕消光服从Lambert-beer定律。分步插层法制备的膨胀石墨的尺度在毫米量级，远大于红外波长，因此膨胀石墨在红外波段的消光截面受其几何截面影响较大。膨胀石墨对红外辐射的遮蔽性能主要由光路中蠕虫个数和单个蠕虫的消光截面决定。膨胀石墨的红外遮蔽率随膨胀体积的增大而增大，这主要归因于以下两方面的原因：一是随着膨胀体积的增大，膨胀石墨蠕虫充分膨胀开来，几何截面增大，形成了更大的独立散射体，提高了其对红外辐射的散射效果，这一点得到验证，膨胀石墨蠕虫几何截面的增大导致其消光截面增大；二是膨胀石墨充分膨胀，孔隙率增大，网络状孔系结构更加丰富，形成更多的开放孔或半开放孔，所形成的大量开放孔或半开放孔，可以视为一些微小的黑体空腔，其对红外辐射有明显的吸收作用。1

保水剂对土壤体积膨胀率及土壤团聚体影响为了研究保水剂对土壤体积膨胀率和土壤团聚体的影响，实验设置保水剂的3个不同浓度（重量比）水平：0.1%、0.2%、0.3%，研究得到土壤吸水后土壤体积膨胀率随保水剂用量的增加而增加，保水剂在短期内对2 mm土壤团聚体含量效果明显。2

保水剂对土壤体积膨胀率影响实验中，吸水前PVC管中的土层高度均为8.2cm，吸水后各处理体积都有不同程度膨胀，表现为土柱高度增加，处理之间以C的膨胀程度最大，体积膨胀率变化规律为：CKB=A>CK，随保水剂用量增加>0.25mm各级土壤团聚体百分含量也逐渐增加；A、B处理各级土壤团聚体百分含量没有差异。2

将干筛和湿筛后的结果进行对比，明显的规律是，湿筛后>0.25mm各级土壤团聚体百分含量均降低。说明湿筛时，土壤团聚体由于水力作用崩解，从而减小了大团聚体含量。对于0.25～0.5mm粒径的团聚体，C处理中，干筛和湿筛对于其含量的改变作用不明显，说明保水剂浓度高，则对于维持该粒径范围的团聚体有稳定作用。

保水剂对土壤团聚体的影响，在短期内并没有明显的效果，加之实验用土样是风干后过筛处理的土样，团聚体粒径均小于2mm，保水剂对土壤所起的作用是否更有利于粒径大于2mm的土壤团聚体的粘结没有得到确切的结论。保水剂对土壤结构的影响是一个动态的过程，水分在激发保水剂膨胀缩小对土壤产生影响，也只有在遇水情况下才能得以体现；保水剂自身的交联强度或粘结性也会影响土壤颗粒团聚体的形成，通常来讲，保水剂的交联度高粘结能力就低，不利于保水剂和土壤颗粒之间的吸附和粘结。高强度保水剂，反复吸水性好，保水剂吸水膨胀和释水收缩的过程也是促使土壤结构发生变化的重要因素。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学