Il coefficiente di espansione termica (CTE) si riferisce al tasso al quale un materiale si espande con l’aumento della temperatura. Più specificamente, questo coefficiente è determinato a pressione costante e senza un cambiamento di fase, cioè ci si aspetta che il materiale sia ancora nella sua forma solida o fluida.

I diversi materiali hanno diversi CTE, che li rendono adatti all’uso particolare per cui sono stati scelti. Le ceramiche hanno un CTE molto basso, mentre i polimeri hanno un CTE elevato. Per i metalli, l’Invar, una popolare lega di ferro e nichel, è nota per il suo CTE molto basso che la rende stabile in ampi intervalli di temperatura. La sua proprietà l’ha resa utile nello sviluppo di strumenti di calibrazione. Il mercurio, d’altra parte, è noto per il suo alto CTE che lo rende reattivo su una vasta gamma di temperature come usato nei termometri a mercurio.

In questo articolo, imparerete a conoscere:

• Cos’è il coefficiente di espansione termica
• Come si misura il coefficiente di espansione termica
• Applicazioni e materiali che utilizzano il coefficiente di espansione termica
• Materiali/applicazioni futuri

Cos’è il coefficiente di espansione termica?

Il coefficiente di espansione termica è il tasso al quale la dimensione di un materiale cambia rispetto al cambiamento di temperatura. Le considerazioni sulle dimensioni possono essere fatte tramite cambiamenti di lunghezza, area o volume, e quindi ci sono coefficienti derivabili per le espansioni lineari, di area e di volume.

Con una pressione presunta costante, l’espansione lineare, l’espansione di area e l’espansione di volume possono essere scritte più semplicemente come;

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

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

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

dove `L`, `A` e `V` sono rispettivamente Lunghezza, Area e Volume, e `T` è la temperatura.

L’unità di misura per i coefficienti di espansione termica è l’inverso della temperatura, oC-1 o K-1. Tuttavia, all’unità vengono aggiunte dimensioni extra come cm/cm o mm2/mm2 in modo da poter dedurre se il coefficiente è lineare, di area o volumetrico.

Quando i materiali vengono riscaldati, le molecole di quel materiale iniziano ad agitarsi di più e la distanza media tra loro aumenta, il che si traduce in un’espansione delle sue dimensioni. Questa agitazione varia da materiale a materiale e materiali diversi rispondono all’aumento della temperatura in modi diversi a causa dei loro legami atomici e delle loro strutture molecolari. Ci sono molti modi in cui questa proprietà del materiale può essere adattata per essere utile e altri modi in cui deve essere presa in considerazione per evitare un fallimento catastrofico.

Misura del coefficiente di espansione termica

La misura dei coefficienti di espansione termica avviene attraverso 3 metodi principali; dilatometria, interferometria e analisi termomeccanica.

Dilatometria

La dilatometria è una tecnica abbastanza semplice in cui un campione di prova viene posto in un forno e riscaldato a determinate temperature, mentre i cambiamenti nelle dimensioni del campione vengono catturati tramite sensori ad asta. Ha una gamma di temperatura compresa tra -180oC e 900oC.

Interferometria

L’interferometria è un sistema ottico di imaging e interferenza che misura i cambiamenti dimensionali durante il riscaldamento o il raffreddamento in termini di densità di lunghezza d’onda della luce monocromatica. Ha una precisione significativamente più alta della dilatometria.

L’analisi termomeccanica

L’analisi termomeccanica comporta l’uso di un apparato che, attraverso una sonda trasmettitore e un trasduttore, può misurare l’espansione termica rispetto alle differenze di temperatura. Tipicamente ha un intervallo di temperatura compreso tra -120oC e 600oC che può essere esteso con diverse apparecchiature.

Ci sono altri metodi meno comuni che vengono ideati e utilizzati in alcune condizioni speciali. Esistono anche modifiche ai metodi sopra citati, che possono aumentare notevolmente un aspetto della procedura, come l’intervallo di temperatura o l’accuratezza della misurazione.

Applicazioni e materiali

Le applicazioni che richiedono considerazioni sul coefficiente di espansione termica sono per lo più metalli, poiché su brevi intervalli di temperatura, dove altri materiali non verrebbero distrutti, l’espansione termica è in effetti trascurabile. Tuttavia, su intervalli di temperatura più alti, solo i metalli possono rimanere intatti. Ci sono varie applicazioni che richiedono che la dilatazione termica sia seriamente considerata. In alcuni casi, è auspicabile che il CTE del materiale usato sia molto basso (come nelle leghe a bassa espansione) e in alcuni casi, è richiesto che sia il più alto possibile (come nelle leghe di alluminio).

Le leghe a bassa espansione trovano applicazione in orologi, pistoni per motori a combustione interna, sistemi superconduttori ed elettronica. D’altra parte, è necessario tenere conto della dilatazione termica ogni volta che parti significative o critiche contengono una grande quantità di alluminio. Nelle applicazioni di saldatura, i coefficienti di espansione termica di due diversi metalli che vengono saldati insieme dovrebbero essere simili, altrimenti c’è il rischio di un accumulo di tensioni residue lungo la saldatura, che può portare al fallimento. La stessa idea si applica nell’edilizia (come i grattacieli, i ponti) dove vengono lasciati dei vuoti tra le strutture di base non solo per tenere conto dei movimenti sismici ma anche delle dilatazioni termiche.

Tabella 1. Coefficiente di espansione termica dei materiali comuni

Materiale	Coefficiente di espansione termica lineare (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamante
Vetro, Pirex
Legno, pino
Muratura in mattoni
Kovar
Vetro, duro
Granito
Platino
Fusione di ferro
Nichel
Acciaio
Oro
Calcestruzzo
Rame
Bronzo
Ottone
Alluminio
Calcio
Ghiaccio
Mercurio
Celluloide

Applicazioni e materiali futuri

Come i margini di errore si riducono e la necessità di un’espansione termica perfettamente definita su certi intervalli di temperatura aumenta, aumentano anche i metodi di prova e la creazione di nuovi materiali per soddisfare questa richiesta. Sono già stati sviluppati nuovi metodi di misurazione del CTE, come la correlazione di immagini a infrarossi (IIC) e la correlazione di immagini digitali.

Sono stati esplorati nuovi modi per abbassare l’espansione termica di materiali come i fili di Kevlar, attorcigliandoli insieme come una corda. Altri materiali come il carburo di silicio utilizzato nella costruzione di telescopi spaziali sono finemente sintonizzati per temperature fino a -190oC. I dati completi dei materiali e i loro CTE sono determinati e documentati per facilitare i processi di selezione dei materiali per le esigenze specifiche.