Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) označuje rychlost, s jakou se materiál rozpíná při zvyšování teploty. Přesněji řečeno, tento koeficient se určuje při konstantním tlaku a bez změny fáze, tj. předpokládá se, že materiál je stále ve své pevné nebo kapalné formě.

Různé materiály mají různé CTE, díky čemuž jsou vhodné pro konkrétní použití, pro které jsou vybrány. Keramika má velmi nízké CTE, zatímco polymery mají vysoké CTE. U kovů je Invar, oblíbená slitina železa a niklu, známý svou velmi nízkou CTE, díky níž je stabilní v širokém rozsahu teplot. Díky této vlastnosti je užitečná při vývoji kalibračních přístrojů. Naproti tomu rtuť je známá svou vysokou CTE, díky níž reaguje v širokém rozsahu teplot, jak se používá ve rtuťových teploměrech.

V tomto článku se dozvíte následující informace:

• Co je to koeficient tepelné roztažnosti
• Jak se koeficient tepelné roztažnosti měří
• Aplikace a materiály, které koeficient tepelné roztažnosti využívají
• Budoucí materiály/aplikace

Co je to koeficient tepelné roztažnosti?

Koeficient tepelné roztažnosti je rychlost, s jakou se mění velikost materiálu v závislosti na změně teploty. Úvahy o velikosti lze provádět pomocí změn délky, plochy nebo objemu, a proto existují koeficienty odvozené pro lineární, plošnou a objemovou roztažnost.

Při předpokládaném konstantním tlaku lze lineární roztažnost, plošnou roztažnost a objemovou roztažnost zapsat jednodušeji takto;

`\alfa _{L}=\frac{1}{L} \frac{dL}{\dT}`

`\alfa _{A}=\frac{1}{A} \frac{dA}{dT}`

`\alfa _{V}=\frac{1}{V} \frac{dV}{dT}`

Kde `L`, `A` a `V` jsou délka, plocha a objem a `T` je teplota.

Měrnou jednotkou pro koeficienty teplotní roztažnosti je převrácená hodnota teploty, oC-1 nebo K-1. K jednotce se však přidávají další rozměry, jako cm/cm nebo mm2/mm2, aby bylo možné odvodit, zda se jedná o koeficient lineární, plošný nebo objemový.

Při zahřívání materiálů se molekuly tohoto materiálu začnou více pohybovat a průměrná vzdálenost mezi nimi se zvětší, což se projeví v rozšíření jeho rozměrů. Toto rozrušení se liší materiál od materiálu a různé materiály reagují na zvýšení teploty různým způsobem, což je dáno jejich atomovými vazbami a molekulární strukturou. Existuje mnoho způsobů, jak tuto vlastnost materiálu přizpůsobit, aby byla užitečná, a další způsoby, jak s ní počítat, aby nedošlo ke katastrofickému selhání.

Měření součinitele teplotní roztažnosti

Měření součinitelů teplotní roztažnosti probíhá pomocí 3 hlavních metod: dilatometrie, interferometrie a termomechanické analýzy.

Dilatometrie

Dilatometrie je poměrně jednoduchá technika, při níž se zkušební vzorek umístí do pece a zahřeje se na určitou teplotu, přičemž změny rozměrů vzorku se zachycují pomocí tlačných tyčových snímačů. Má teplotní rozsah od -180oC do 900oC.

Interferometrie

Interferometrie je optický zobrazovací a interferenční systém, který měří změny rozměrů během ohřevu nebo chlazení z hlediska hustoty vlnové délky monochromatického světla. Má výrazně vyšší přesnost než dilatometrie.

Termomechanická analýza

Termomechanická analýza zahrnuje použití přístroje, který prostřednictvím sondového vysílače a převodníku může měřit tepelnou roztažnost s ohledem na teplotní rozdíly. Obvykle má teplotní rozsah od -120oC do 600oC, který lze pomocí různých zařízení rozšířit.

Existují i další méně obvyklé metody, které se vymýšlejí a používají v určitých speciálních podmínkách. Existují také modifikace výše uvedených metod, které mohou výrazně zvýšit některý z aspektů postupu, jako je teplotní rozsah nebo přesnost měření.

Použití a materiály

Použití, která vyžadují zohlednění koeficientu tepelné roztažnosti, jsou většinou kovy, protože v krátkých teplotních rozsazích, při kterých by se jiné materiály nezničily, je tepelná roztažnost ve skutečnosti zanedbatelná. Ve vyšších teplotních rozsazích však mohou zůstat nedotčeny pouze kovy. Existují různé aplikace, které vyžadují vážné zohlednění tepelné roztažnosti. V některých případech je žádoucí, aby CTE použitého materiálu byla velmi nízká (například u slitin s nízkou teplotní roztažností), a v některých případech se vyžaduje, aby byla co nejvyšší (například u slitin hliníku).

Slitiny s nízkou teplotní roztažností nacházejí uplatnění v hodinách/hodinkách, pístech pro spalovací motory, supravodivých systémech a elektronice. Na druhou stranu je třeba zohlednit tepelnou roztažnost všude tam, kde významné nebo kritické součásti obsahují velké množství hliníku. Při svařování by měly být koeficienty tepelné roztažnosti dvou různých svařovaných kovů podobné, jinak hrozí vznik zbytkového napětí podél svaru, což může vést k poruše. Stejná myšlenka platí ve stavebnictví (např. výškové budovy, mosty), kde se mezi jádrem konstrukce ponechávají mezery nejen kvůli seismickému pohybu, ale i kvůli tepelné roztažnosti .

Tabulka 1. Součinitel tepelné roztažnosti běžných materiálů

.

Materiál	Součinitel lineární teplotní roztažnosti (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamant
Sklo, Pyrex
Dřevo, borovice
Cihlové zdivo
Kovar
Sklo, tvrdé
Granit
Platina
Litina
Nikl
Ocel
Zlato
Beton
Měď
Bronz
Mosaz
Hliník
Vápník
Led
Rtuť
Celuloid

Budoucí aplikace a materiály

Snižuje se prostor pro chyby a zvyšuje se potřeba dokonale definované teplotní roztažnosti v určitých teplotních rozsazích, rostou i zkušební metody a tvorba nových materiálů, které by tento požadavek splňovaly. Již byly vyvinuty novější metody měření CTE, jako je infračervená obrazová korelace (IIC) a digitální obrazová korelace .

Byly prozkoumány nové způsoby snížení tepelné roztažnosti materiálů, jako jsou kevlarová vlákna jejich stočením k sobě jako lano. Jiné materiály, jako je karbid křemíku používaný při konstrukci vesmírných teleskopů, jsou přesně vyladěny pro teploty až -190oC. Jsou stanoveny a zdokumentovány komplexní údaje o materiálech a jejich CTE, které usnadňují procesy výběru materiálů pro konkrétní potřeby .

.