A hőtágulási együttható (CTE) azt a mértéket jelöli, amellyel egy anyag a hőmérséklet növekedésével tágul. Pontosabban, ezt az együtthatót állandó nyomáson és fázisváltozás nélkül határozzák meg, azaz az anyag várhatóan még mindig szilárd vagy folyékony formában van.

A különböző anyagok különböző CTE-vel rendelkeznek, ami alkalmassá teszi őket az adott felhasználásra, amelyre kiválasztják őket. A kerámiáknak nagyon alacsony a CTE-jük, míg a polimereknek magas a CTE-jük. A fémek esetében az Invar, a vas és nikkel népszerű ötvözete, nagyon alacsony CTE-je miatt ismert, ami széles hőmérséklet-tartományban stabilvá teszi. Ez a tulajdonsága hasznosnak bizonyult a kalibráló műszerek fejlesztésében. A higany viszont magas CTE-je miatt ismert, ami a higanyos hőmérőkben használt széles hőmérséklet-tartományban érzékennyé teszi.

Ez a cikk a következőket tartalmazza:

• Mi a hőtágulási együttható
• Hogyan mérik a hőtágulási együtthatót
• A hőtágulási együtthatót hasznosító alkalmazások és anyagok
• A jövő anyagai/alkalmazásai

Mi a hőtágulási együttható?

A hőtágulási együttható az a mérték, amellyel egy anyag mérete a hőmérsékletváltozás függvényében változik. A méretet hossz-, terület- vagy térfogatváltozással lehet figyelembe venni, így a lineáris, a terület- és a térfogattágulásra is levezethetők együtthatók.

A feltételezett állandó nyomás mellett a lineáris, a terület- és a térfogattágulás egyszerűbben leírható;

`\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}`

Hol `L`, `A` és `V` a hossz, a terület és a térfogat, illetve `T` a hőmérséklet.

A hőtágulási együtthatók mértékegysége a hőmérséklet inverze, oC-1 vagy K-1. Az egységhez azonban olyan extra dimenziókat adnak hozzá, mint a cm/cm vagy a mm2/mm2, hogy következtetni lehessen arra, hogy az együttható vonalas, területi vagy térfogati.

Mikor az anyagokat melegítjük, az anyag molekulái nagyobb mozgásba kezdenek, és a köztük lévő átlagos távolság megnő, ami a méretek tágulásában nyilvánul meg. Ez a keveredés anyagról anyagra változik, és a különböző anyagok atomi kötéseik és molekulaszerkezetük miatt eltérő módon reagálnak a hőmérséklet-emelkedésre. Ezt az anyagtulajdonságot sokféleképpen lehet úgy alakítani, hogy hasznos legyen, és más módon kell figyelembe venni a katasztrofális meghibásodás elkerülése érdekében.

A hőtágulási együttható mérése

A hőtágulási együttható mérése 3 fő módszerrel történik; dilatometriával, interferometriával és termomechanikai elemzéssel.

Dilatometria

A dilatometria egy meglehetősen egyszerű technika, amelyben a vizsgálati mintát egy kemencébe helyezik és bizonyos hőmérsékletre melegítik, miközben a minta méretében bekövetkező változásokat tolórúd-érzékelőkkel rögzítik. Hőmérséklet-tartománya -180oC és 900oC között van.

Interferometria

Az interferometria egy optikai képalkotó és interferencia rendszer, amely a melegítés vagy hűtés során bekövetkező méretváltozásokat a monokromatikus fény hullámhosszának sűrűsége alapján méri. A dilatometriánál lényegesen nagyobb pontossággal rendelkezik.

Thermomechanikai analízis

A termomechanikai analízis során olyan készüléket használnak, amely egy szondaadó és egy átalakító segítségével képes mérni a hőtágulást a hőmérsékletkülönbségek függvényében. Ennek jellemzően -120oC és 600oC közötti hőmérséklet-tartománya van, amely különböző berendezésekkel bővíthető.

Más, kevésbé elterjedt módszereket is kitaláltak és alkalmaznak bizonyos speciális körülmények között. A fent említett módszerekhez léteznek olyan módosítások is, amelyek az eljárás egy-egy szempontját, például a hőmérséklettartományt vagy a mérési pontosságot jelentősen megnövelhetik.

Alkalmazások és anyagok

A hőtágulási együttható figyelembevételét igénylő alkalmazások többnyire fémek, mivel rövid hőmérséklettartományokban, ahol más anyagok nem mennének tönkre, a hőtágulás valójában elhanyagolható. Magasabb hőmérséklettartományokban azonban csak a fémek maradhatnak épek. Különböző alkalmazások vannak, amelyeknél a hőtágulást komolyan figyelembe kell venni. Egyes esetekben kívánatos, hogy a felhasznált anyag CTE értéke nagyon alacsony legyen (mint például az alacsony tágulású ötvözeteknél), más esetekben pedig az a követelmény, hogy a lehető legnagyobb legyen (mint például az alumíniumötvözeteknél).

Az alacsony tágulású ötvözeteket órákban/órákban, belsőégésű motorok dugattyúiban, szupravezető rendszerekben és elektronikában alkalmazzák. Másrészt a hőtágulást figyelembe kell venni mindenütt, ahol jelentős vagy kritikus alkatrészek nagy mennyiségű alumíniumot tartalmaznak. Hegesztési alkalmazásokban a két különböző hegesztett fém hőtágulási együtthatójának hasonlónak kell lennie, különben fennáll a maradó feszültségek kialakulásának veszélye a hegesztés mentén, ami meghibásodáshoz vezethet. Ugyanez a gondolat érvényes az építőiparban (pl. magas épületek, hidak), ahol a magszerkezetek között nemcsak a szeizmikus mozgások, hanem a hőtágulás miatt is hézagokat hagynak .

1. táblázat. Gyakori anyagok hőtágulási együtthatója

Anyag	Lineáris hőmérsékleti tágulási együttható (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamant
Üveg, Pyrex
Fa, fenyő
Tégla falazat
Kovar
üveg, kemény
gránit
platina
öntöttvas
nikkel
acél
arany
beton
Réz
Bronz
Réz
Alumínium
Kalcium
Jég
Merkúr
Celluloid

Jövőbeni alkalmazások és anyagok

Mivel csökken a hibahatár és nő a tökéletesen meghatározott hőtágulás iránti igény bizonyos hőmérsékleti tartományokban, így a vizsgálati módszerek és az ennek az igénynek való megfeleléshez szükséges új anyagok létrehozása is. Már most is kifejlesztettek újabb módszereket a CTE mérésére, mint például az infravörös képkorreláció (IIC) és a digitális képkorreláció .

Új módszereket kutattak az anyagok, például a kevlárszálak hőtágulásának csökkentésére azáltal, hogy kötélként összecsavarják őket . Más anyagokat, mint például az űrteleszkópok építésénél használt szilíciumkarbidot finomhangolják az akár -190oC-os hőmérsékletre. Az anyagok és CTE-ik átfogó adatait meghatározzák és dokumentálják, hogy megkönnyítsék az anyagkiválasztási folyamatokat az egyedi igényekhez .