第一节　高分子材料的热物理特性

高分子材料的热物理性能是高分子材料的重要性能之一，其对高分子材料的加工及应用有着密切的关系。高分子材料热物理特性与其他材料的热物理特性有着明显的不同。

一、热膨胀

材料因受温度的升降而使体积发生膨胀或收缩的现象称为材料的胀缩性。热膨胀是材料由于吸收热能，相邻原子或基团由于振动使得间距变大的缘故。不同材料由于聚集结构不同，导致材料具有不同的胀缩性。物体的胀缩性可用线膨胀系数和体膨胀系数两种方法表示。

线膨胀系数是指固态物质温度改变1℃时，其长度的变化和它在原温度时长度的比值，其单位为℃^-1。线膨胀系数与材料分子间的作用力大小有关，与键能有关。键能越强，线膨胀系数越小。键能与线膨胀系数之间的关系可以推广到其他材料。有共价键或离子键构成的材料线膨胀系数最小；金属由金属键结合，线膨胀系数居中；高分子材料大分子之间主要是范德华力，所以线膨胀系数最高。一般金属的线膨胀系数约为10^-5℃^-1。而高分子材料的线膨胀系数比一般金属大得多。体膨胀系数是指物体温度改变1℃时，其体积的变化和它在原温度时体积的比值。本节主要讨论的是高分子材料的线膨胀系数。常用的高分子材料的线膨胀系数见表2-1。

表2-1　常用高分子材料的线膨胀系数　　

高分子材料的胀缩性对高分子材料的应用非常重要。由于有些高分子材料（特别是工程塑料）具有较高的比强度、耐化学腐蚀性等优越的物理性能和化学性能。因此，经常被用于制造仪器仪表和测量工具等精密的机械零件。在制造精密机械时就必须要考虑高分子材料的线膨胀系数问题。不同高分子材料所制成的机械零件的配合和装配也要考虑高分子材料的线膨胀系数问题，否则，会因胀缩性不同而产生配合过紧或过松现象，造成产品变形或损坏。

高分子材料胀缩性的大小与其分子结构和组成有关。由于高分子材料是由长链分子通过分子间的作用力聚集而成，其聚集态结构较为复杂。聚集态结构中有结晶态和非晶态，当高分子材料受到环境温度而加热时，其聚集态中的分子链段吸收环境热量后动能增加，便发生不同程度的振动，使大分子链间的“自由体积”增大，导致高分子材料宏观上的体积增大，产生受热膨胀效应。反之，环境温度下降时，其聚集态中的分子链段的动能明显下降，振动程度下降，则大分子链间的“自由体积”下降，产生冷却收缩效应。

一般来讲，高分子经过填充处理或玻纤增强，提高其聚集态结构中分子链的刚性，其分子链段受热产生膨胀现象就会下降。

二、热容

在绝对零度时，材料的原子具有最低能量。如果有热量供给，原子就会得到热能，以一定的频率与振幅振动。每个原子的振动都会传递给周围的原子，产生一个弹性波，称为声子。声子的能量可以波长或频率来表示：

E=hc/λ=hν　　（2-1）

材料通过获得或失去声子来获得或失去热量。热容是材料的温度提高1℃（或1K）所需的能量，单位为J/℃（或J/K）。比热容是将单位质量材料的温度提高1℃（或1K）所需的能量，单位为J/（kg·℃）。在工程计算中，使用比热容更方便。常用典型材料的比热容见表2-2。材料结构对比热容或热容的影响不大。

表2-2　常用典型材料在27℃时的比热容