[科普中国]-体积密度

简介

材料在包含实体积、开口和密闭孔隙的状态下单位体积的质量称为材料的体积密度。在建筑材料中,对材料的质量和体积之比称为密度。在不同构造状态下又可分为真密度、表观密度和堆积密度，而表观密度又根据其开口孔分为体积密度和视密度。

新型功能材料的研究与发展，是当今材料科学的重要课题。由于复合材料各组分之间能取长补短，极大地弥补了单一材料的缺点。温敏复合材料作为其中之一，具有驱动功能，并能够响应外界变化以及当外部刺激消除后，能够恢复到原始状态这一特性，被广泛的应用于驱动、传动和控制元件等工程中，如恒温阀、采暖系统中的控温阀、双向微驱动器等。那么保证温控元件的可靠性、准确性和稳定性就显得尤为重要了，因此就需要更好的去探讨和研究温敏材料在相应的温度条件下的体积膨胀率及其影响因素。测试了纳米铜/ 石蜡复合材料在不同体积密度下的体积膨胀率以及热循环性，研究了体积密度对纳米铜/ 石蜡复合材料热膨胀性能的影响1。

压制后金属铜粒/石蜡复合材料颗粒的变化取少量金属铜/ 石蜡复合材料并在石油醚中浸泡两个星期，发现粒子仍粗大，未完全浸泡开，采用场发射扫描电子显微镜对压制后该复合材料形貌进行观察。复合材料由于石蜡的粘结作用仍然团聚， 但是已经出现开始分散的现象，这和初始状态有较大的差别。在球磨前，加入的电解铜粉为树枝状，其粒径大小约为74μm，而在球磨后压制前为复合颗粒，且较易分散。这就说明复合材料在温压工艺的环境下具备了良好的致密度和强度， 并且当电子束打在复合材料上时， 图像发生微移，说明石蜡较好的包覆在铜粉颗粒表面。从而降低了铜粉颗粒的表面能， 提高了复合材料的稳定性。此外，液态石蜡的加入有效降低了铜粉颗粒在球磨中的团聚现象，提高了球磨效率2。

体积密度对升温过程体积膨胀率的影响在相同的温度下，随着复合材料体积密度的增大，材料的体积膨胀率也不断增大。同时，随着外界温度的不断升高，其体积膨胀率也不断增大。此过程中，包覆在铜颗粒表面的石蜡，发生了固相转晶和固-液相变，从而使其体积发生膨胀。

在复合材料压制时，均是以缓慢加压方式进行。主要是因为如果加压速率过快，空气的逸出就比较困难，但孔隙始终存在，这就影响了复合材料的体积膨胀率。研究中发现，根据两组样品加热前的压缩量差和在加热后膨胀量的对比，并不是所有的孔隙在石蜡发生相变后完全排出，只有部分被填充。这个填充部分可能来自于试样的边界处，而靠近中心部分的孔隙很难被排出， 这可能与复合材料的流动性有关3。

体积密度对热循环性的影响体积密度随压制压力的增大而增大，当压制压力增大到900 MPa 以上时，其体积密度就开始趋近于铜的真密度。而本文研究的复合材料体积密度很难到达这一值，其主要原因是石蜡的加入量较大。因为石蜡的密度较小，一般在0.88～0.915 g/cm3，从而影响了整个复合材料的密度。由于温敏复合材料在实际应用中，受外部温度变化，而产生体积膨胀。其膨胀后体积密度会减小，为了使其温敏材料达到原始体积密度，一般在应用设备中都会装置弹簧使其回复到初始状态。

热循环性主要是指纳米铜/石蜡复合材料在经加热和冷却交替变换后，能保证的体积膨胀率。其体积膨胀率波动较小，基本保持在允许范围内，所以当体积密度在6.10 g/cm3 时此复合材料可能处于一个饱和状态，即在其内部可能存在无法避免的孔隙，但对其材料的体积膨胀率影响较小。若继续增大复合材料的体积密度，则需更大的压制压力，同时可能会进一步加强铜颗粒的加工硬化程度，以及将需要更大的压制压力将其回复到初始状态，那么材料在实际应用中，将很难达到原来的致密状态2。

总结(1) 体积密度对纳米铜/石蜡复合材料的热膨胀性能有显著的影响，复合材料的体积膨胀率随体积密度的增加而增大。

(2) 体积密度为4.62 g/cm3 时，复合材料具有良好的体积膨胀率。

(3) 50℃时，体积密度为4.62 g/cm3 时复合材料具有较好的热循环性， 过大的体积密度会影响复合材料的热稳定性2。