Prediction of thermal expansion of solids in wide temperature range by heat

capacity

基于热容的固体宽温区热膨胀预测

作者信息：

Meibo Tang, Xiuhong Pan, Weijie Deng, Kun Chen, Huan He, Jinghong Fang, Jinqi Ni, Xuechao Liu

State Key Laboratory of Functional Crystals and Devices, Shanghai Institute of

Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 201899, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100015

文章介绍：

材料的热膨胀系数β（或体积V）随温度（T）的变化是其应用中的重要特性，也是理论和实验研究的热点。在固体物理中，热膨胀源于原子振动的非简谐效应，导致温度升高时原子平均间距增大。材料体膨胀系数β通常很小（室温下约10⁻⁵ K⁻¹量级），受限于实验难度，宽温区精确热膨胀数据较为匮乏，尤其高温（>1000 K）测试的不确定度更为显著。

鉴于精确测量热膨胀的困难，发展可靠的半经验或理论模型对评估（尤其是高温区）热膨胀至关重要[7]。材料性能间的关联性研究不仅具有实用价值，也成为通过其他物性预测热膨胀的重要途径。例如：Garai基于热膨胀与热容的线性关系计算金属热膨胀；Wang等通过βKV特征（K：等温体积模量）预测NaCl高温热膨胀；Digilov采用Lambert函数评估固体热膨胀温度依赖性；Inaba结合Morse势与Debye模型估算萤石型化合物热膨胀；Lu等基于Debye-Grüneisen模型的Calphad方法评估立方过渡金属热膨胀；Drebushchak等运用Lennard-Jones势与热力学方程计算热膨胀。现有理论模型虽能描述固体高温热膨胀，但经验模型普遍复杂且难以普适于宽温区材料预测，因此发展普适性热膨胀理论预测方法仍具挑战性。

最新研究表明，系列参考材料中热膨胀与热容Cp存在普适关联。我们发展的新热容模型成功解释了0 K至熔点温度范围内的热容行为，该模型将熔点以下热容表述为：
Cp = 1.5RfD + Eβ (1)
式中R为气体常数，E为体积能量常数，fD为德拜函数。总热容Cp包含动能项1.5RfD与势能项Eβ，仅含E和德拜温度θ两个参数。这两个参数取决于物质组分，在不同温度乃至不同物态（如固态、液态、过冷液态和非晶态）下保持恒定。

中文摘要：

我们采用统一热容模型预测了从几开尔文到熔点温度范围内的热膨胀行为。首先建立了一种普适性方法，仅通过材料的一系列实验热容数据即可获得热膨胀系数，其预测结果与实验测得的热膨胀数据高度吻合。该方法对预测热膨胀的温度依赖性具有重要意义，同时有助于深入理解固体热物性的物理本质。