Lämpölaajenemiskertoimella (CTE) tarkoitetaan nopeutta, jolla materiaali laajenee lämpötilan noustessa. Tarkemmin sanottuna tämä kerroin määritetään vakiopaineessa ja ilman faasimuutosta, eli materiaalin oletetaan olevan edelleen kiinteässä tai nestemäisessä muodossaan.

Erilaisilla materiaaleilla on erilaiset CTE-kertoimet, jotka tekevät niistä sopivia tiettyyn käyttötarkoitukseen, johon ne on valittu. Keramiikalla on hyvin alhainen CTE, kun taas polymeereillä on korkea CTE. Metallien osalta Invar, suosittu raudan ja nikkelin seos, on tunnettu erittäin alhaisesta CTE:stään, joka tekee siitä vakaan laajoilla lämpötila-alueilla. Tämä ominaisuus on tehnyt siitä hyödyllisen kalibrointilaitteiden kehittämisessä. Elohopea puolestaan tunnetaan korkeasta CTE:stä, joka tekee siitä herkän laajalla lämpötila-alueella, kuten elohopealämpömittareissa käytetään.

Tässä artikkelissa opit mm. seuraavaa:

• Mitä lämpölaajenemiskerroin on
• Miten lämpölaajenemiskerrointa mitataan
• Lämpölaajenemiskerrointa hyödyntävät sovellukset ja materiaalit
• Tulevaisuuden materiaalit/sovellukset

Mitä on lämpölaajenemiskerroin?

Lämpölaajenemiskerroin on nopeus, jolla materiaalin koko muuttuu lämpötilan muuttuessa. Kokoa voidaan tarkastella pituuden, pinta-alan tai tilavuuden muutoksilla, joten lineaariselle, pinta-alan ja tilavuuden laajenemiselle on johdettavissa kertoimet.

Vakiopaineeksi oletetun paineen vallitessa lineaarinen laajeneminen, pinta-alan laajeneminen ja tilavuuden laajeneminen voidaan yksinkertaisemmin kirjoittaa seuraavasti;

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

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

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

Missä `L`, `A` ja `V` ovat vastaavasti pituus, pinta-ala ja tilavuus ja `T` on lämpötila.

Lämpölaajenemiskertoimien mittayksikkö on lämpötilan käänteisluku, oC-1 tai K-1. Yksikköön lisätään kuitenkin lisäulottuvuuksia, kuten cm/cm tai mm2/mm2, jotta voidaan päätellä, onko kerroin lineaarinen, pinta-ala- vai tilavuuskerroin.

Kun materiaaleja lämmitetään, materiaalin molekyylit alkavat sekoittua enemmän ja niiden keskimääräinen etäisyys toisistaan kasvaa, mikä näkyy materiaalin mittojen laajenemisena. Tämä sekoittuminen vaihtelee materiaalista toiseen, ja eri materiaalit reagoivat lämpötilan nousuun eri tavoin niiden atomisidosten ja molekyylirakenteiden vuoksi. On monia tapoja, joilla tämä materiaaliominaisuus voidaan mukauttaa hyödylliseksi, ja muita tapoja, joilla se on otettava huomioon katastrofaalisen vikaantumisen välttämiseksi.

Lämpölaajenemiskertoimen mittaaminen

Lämpölaajenemiskertoimen mittaaminen tapahtuu kolmella päämenetelmällä; dilatometrialla, interferometrialla ja termomekaanisella analyysillä.

Dilatometria

Dilatometria on varsin suoraviivainen tekniikka, jossa testinäyte asetetaan uuniin ja kuumennetaan tiettyihin lämpötiloihin samalla, kun näytteen mittojen muutokset rekisteröidään työntötankoantureiden avulla. Sen lämpötila-alue on -180oC – 900oC.

Interferometria

Interferometria on optinen kuvantamis- ja interferenssijärjestelmä, joka mittaa kuumentamisen tai jäähdyttämisen aikana tapahtuvia mittamuutoksia monokromaattisen valon aallonpituuden tiheyden perusteella. Sen tarkkuus on huomattavasti suurempi kuin dilatometrian.

Lämpömekaaninen analyysi

Lämpömekaanisessa analyysissä käytetään laitetta, jolla voidaan mitata lämpölaajenemista lämpötilaerojen suhteen anturilähettimen ja anturin avulla. Sen lämpötila-alue on tyypillisesti -120oC – 600oC, jota voidaan laajentaa erilaisilla laitteilla.

Tietyissä erityisolosuhteissa on kehitteillä ja käytössä muitakin harvinaisempia menetelmiä. Edellä mainittuihin menetelmiin on myös olemassa muutoksia, jotka voivat lisätä huomattavasti jotakin menetelmän osa-aluetta, kuten lämpötila-aluetta tai mittaustarkkuutta.

Sovellukset ja materiaalit

Lämpölaajenemiskertoimen huomioon ottamista vaativia sovelluksia ovat enimmäkseen metallit, sillä lyhyillä lämpötila-alueilla, joilla muut materiaalit eivät tuhoutuisi, lämpölaajeneminen on itse asiassa häviävän pieni. Kuitenkin korkeammilla lämpötila-alueilla vain metallit voivat säilyä ehjinä. On olemassa erilaisia sovelluksia, joissa lämpölaajeneminen on otettava vakavasti huomioon. Joissakin tapauksissa on toivottavaa, että käytetyn materiaalin CTE-arvo on hyvin alhainen (kuten matalalaajenevissa seoksissa), ja joissakin tapauksissa sen on oltava mahdollisimman korkea (kuten alumiiniseoksissa).

Matalalaajenevia seoksia käytetään kelloissa, polttomoottoreiden männyissä, superjohtavissa järjestelmissä ja elektroniikassa. Toisaalta lämpölaajeneminen on otettava huomioon aina, kun merkittävät tai kriittiset osat sisältävät suuren määrän alumiinia. Hitsaussovelluksissa yhteen hitsattavien kahden eri metallin lämpölaajenemiskertoimien on oltava samankaltaisia, muutoin vaarana on jäännösjännityksen muodostuminen hitsin varrelle, mikä voi johtaa vikaantumiseen. Sama ajatus pätee myös rakentamisessa (esim. korkeat rakennukset, sillat), jossa ydinrakenteiden väliin jätetään aukkoja paitsi seismisten liikkeiden myös lämpölaajenemisten varalta.

Taulukko 1. Lämpölaajenemiskertoimet. Yleisten materiaalien lämpölaajenemiskerroin

Materiaali	Lineaarinen lämpötilalaajenemiskerroin (10-6 m.m-¹ K-¹)
Timantti
Lasi, Pyrex
Puu, mänty
Tiilimuuraus
Kovar
Lasi, kova
Graniitti
Platina
Rautavalu
Nikkeli
Teräs
Kulta
Betoni
Kupari
Pronssi
Messinki
Alumiini
Kalsium
Jää
Helvetti
Selluloidi

Tulevaisuuden sovellukset ja materiaalit

Virhemarginaalit pienenevät ja tarve täydellisesti määritellylle lämpölaajenemiselle tietyillä lämpötila-alueilla kasvaa, niin myös testausmenetelmät ja uusien materiaalien luominen tämän vaatimuksen täyttämiseksi. Jo nyt on kehitetty uudempia CTE:n mittausmenetelmiä, kuten infrapunakuvakorrelaatio (IIC) ja digitaalinen kuvakorrelaatio .

Materiaalien, kuten Kevlar-säikeiden, lämpölaajenemisen alentamiseksi on tutkittu uusia tapoja kiertämällä ne yhteen kuin köysi . Muut materiaalit, kuten piikarbidi, jota käytetään avaruusteleskooppien rakentamisessa, on hienosäädetty niinkin alhaisiin lämpötiloihin kuin -190oC. Materiaaleja ja niiden CTE-arvoja koskevat kattavat tiedot määritetään ja dokumentoidaan materiaalien valintaprosessien helpottamiseksi erityistarpeisiin .

.