材料的熱性質

把燒紅的石英玻璃(熔融石英)放入水中也不易破裂,鈉鈣玻璃卻容易破裂。石英玻璃耐熱衝擊性高的主要原因為下列何者?

  1. A線膨脹係數約為0.5×10⁻⁶ K⁻¹ 而非常小,溫差造成的熱應力小
  2. B熱導率與金屬一樣大,表面與內部的溫差很快就會消失
  3. C破壞韌性與金屬一樣大,即使熱應力產生表面裂縫也不易擴展
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正確答案:A. 線膨脹係數約為0.5×10⁻⁶ K⁻¹ 而非常小,溫差造成的熱應力小

急冷時只有表面想先收縮,卻被內部拉住,在表面產生拉伸熱應力 σ ≈ EαΔT/(1 − ν)。石英玻璃的線膨脹係數約為0.5×10⁻⁶ K⁻¹,只有鈉鈣玻璃約9×10⁻⁶ K⁻¹ 的20分之1左右,因此相同溫差下熱應力小得多,不會破裂。石英玻璃的熱導率約為1.4 W/(m·K) 而很小,破壞韌性約0.8 MPa·√m 也與鈉鈣玻璃相當,兩者都遠不及金屬。熱導率是透過表面與內部溫差的形成方式起作用的因素,在熱傳較緩和的條件下,熱導率越大的材料越耐熱衝擊。

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