Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) bezeichnet die Rate, mit der sich ein Material bei steigender Temperatur ausdehnt. Genauer gesagt wird dieser Koeffizient bei konstantem Druck und ohne Phasenwechsel bestimmt, d. h. es wird davon ausgegangen, dass sich das Material noch in seiner festen oder flüssigen Form befindet.

Die verschiedenen Materialien haben unterschiedliche WAKs, die sie für den jeweiligen Einsatzzweck geeignet machen. Keramiken haben sehr niedrige WAKs, während Polymere hohe WAKs haben. Bei den Metallen ist Invar, eine beliebte Legierung aus Eisen und Nickel, für seinen sehr niedrigen WAK bekannt, der es über weite Temperaturbereiche stabil macht. Diese Eigenschaft hat es für die Entwicklung von Kalibrierungsinstrumenten nützlich gemacht. Quecksilber hingegen ist für seinen hohen WAK bekannt, der es über einen weiten Temperaturbereich empfindlich macht, wie es in Quecksilberthermometern verwendet wird.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über:

• Was ein Wärmeausdehnungskoeffizient ist
• Wie der Wärmeausdehnungskoeffizient gemessen wird
• Anwendungen und Materialien, die den Wärmeausdehnungskoeffizienten nutzen
• Künftige Materialien/Anwendungen

Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient?

Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Größe eines Materials in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Größenbetrachtungen können durch Längen-, Flächen- oder Volumenänderungen vorgenommen werden, und so lassen sich Koeffizienten für Längen-, Flächen- und Volumenexpansion ableiten.

Bei angenommenem konstantem Druck lassen sich Längen-, Flächen- und Volumenexpansion einfacher schreiben als;

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

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

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

Wobei `L`, `A` und `V` jeweils Länge, Fläche und Volumen sind und `T` die Temperatur ist.

Die Maßeinheit für thermische Ausdehnungskoeffizienten ist der Kehrwert der Temperatur, oC-1 oder K-1. Die Einheit wird jedoch durch zusätzliche Maße wie cm/cm oder mm2/mm2 ergänzt, so dass daraus abgeleitet werden kann, ob es sich um einen linearen, flächenbezogenen oder volumetrischen Koeffizienten handelt.

Wenn Materialien erwärmt werden, beginnen die Moleküle des Materials, sich stärker zu bewegen, und der durchschnittliche Abstand zwischen ihnen vergrößert sich, was zu einer Ausdehnung der Abmessungen führt. Diese Bewegung ist von Material zu Material unterschiedlich, und verschiedene Materialien reagieren aufgrund ihrer atomaren Bindungen und Molekularstrukturen unterschiedlich auf eine Temperaturerhöhung. Es gibt viele Möglichkeiten, wie diese Materialeigenschaft angepasst werden kann, um nützlich zu sein, und andere, wie sie berücksichtigt werden muss, um ein katastrophales Versagen zu vermeiden.

Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten

Die Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgt durch drei Hauptmethoden: Dilatometrie, Interferometrie und thermomechanische Analyse.

Dilatometrie

Dilatometrie ist ein recht einfaches Verfahren, bei dem eine Probe in einen Ofen gelegt und auf bestimmte Temperaturen erhitzt wird, während die Änderungen der Abmessungen der Probe mit Hilfe von Druckstabsensoren erfasst werden. Der Temperaturbereich liegt zwischen -180oC und 900oC.

Interferometrie

Interferometrie ist ein optisches Abbildungs- und Interferenzsystem, das die Dimensionsänderungen während des Erhitzens oder Abkühlens in Form von monochromatischer Lichtwellenlängendichte misst. Sie hat eine wesentlich höhere Genauigkeit als die Dilatometrie.

Thermomechanische Analyse

Bei der thermomechanischen Analyse wird ein Gerät verwendet, das mit Hilfe eines Messwertgebers und eines Aufnehmers die thermische Ausdehnung in Abhängigkeit von Temperaturunterschieden messen kann. Typischerweise liegt der Temperaturbereich zwischen -120oC und 600oC, der mit verschiedenen Geräten erweitert werden kann.

Es gibt noch weitere, weniger verbreitete Methoden, die unter besonderen Bedingungen eingesetzt werden. Es gibt auch Modifikationen der oben genannten Methoden, die einen Aspekt des Verfahrens wie den Temperaturbereich oder die Messgenauigkeit erheblich verbessern können.

Anwendungen und Werkstoffe

Anwendungen, bei denen der Wärmeausdehnungskoeffizient berücksichtigt werden muss, sind meist Metalle, da die Wärmeausdehnung in kurzen Temperaturbereichen, in denen andere Werkstoffe nicht zerstört werden, tatsächlich vernachlässigbar ist. In höheren Temperaturbereichen können jedoch nur Metalle unversehrt bleiben. Es gibt verschiedene Anwendungen, bei denen die Wärmeausdehnung ernsthaft berücksichtigt werden muss. In einigen Fällen ist es wünschenswert, dass der WAK des verwendeten Materials sehr niedrig ist (z. B. bei Legierungen mit geringer Ausdehnung), in anderen Fällen muss er so hoch wie möglich sein (z. B. bei Aluminiumlegierungen).

Legierungen mit geringer Ausdehnung finden Anwendung in Uhren, Kolben für Verbrennungsmotoren, supraleitenden Systemen und Elektronik. Andererseits muss die Wärmeausdehnung überall dort berücksichtigt werden, wo bedeutende oder kritische Teile eine große Menge Aluminium enthalten. Bei Schweißanwendungen sollten die Wärmeausdehnungskoeffizienten zweier unterschiedlicher Metalle, die miteinander verschweißt werden, ähnlich sein, da sonst die Gefahr besteht, dass sich entlang der Schweißnaht Eigenspannungen aufbauen, die zu einem Versagen führen können. Der gleiche Gedanke gilt im Bauwesen (z. B. Hochhäuser, Brücken), wo zwischen den Kernstrukturen Lücken gelassen werden, um nicht nur seismische Bewegungen, sondern auch Wärmeausdehnungen zu berücksichtigen.

Tabelle 1. Wärmeausdehnungskoeffizient üblicher Materialien

Material	Linearer Temperaturausdehnungskoeffizient (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamant
Glas, Pyrex
Holz, Kiefer
Mauerwerk
Kovar
Glas, hart
Granit
Platin
Eisenguss
Nickel
Stahl
Gold
Beton
Kupfer
Bronze
Messing
Aluminium
Kalzium
Eis
Quecksilber
Celluloid

Zukünftige Anwendungen und Werkstoffe

Mit der Verringerung der Fehlermarge und der Notwendigkeit einer perfekt definierten thermischen Ausdehnung über bestimmte Temperaturbereiche steigt auch der Bedarf, steigen auch die Prüfmethoden und die Entwicklung neuer Werkstoffe, um diese Anforderungen zu erfüllen. Es wurden bereits neuere Methoden zur Messung des WAK entwickelt, wie z. B. die Infrarot-Bildkorrelation (IIC) und die digitale Bildkorrelation.

Neue Wege zur Verringerung der Wärmeausdehnung von Materialien wie z. B. Kevlar-Stränge, indem sie wie Seile zusammengedreht werden, wurden erforscht. Andere Materialien wie Siliziumkarbid, das beim Bau von Weltraumteleskopen verwendet wird, sind auf Temperaturen von bis zu -190oC abgestimmt. Umfassende Daten über Werkstoffe und ihre WAKs werden ermittelt und dokumentiert, um die Materialauswahl für spezifische Anforderungen zu erleichtern.