De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) heeft betrekking op de snelheid waarmee een materiaal uitzet bij toename van de temperatuur. Meer specifiek wordt deze coëfficiënt bepaald bij constante druk en zonder faseverandering, d.w.z. dat het materiaal naar verwachting nog steeds in zijn vaste of vloeibare vorm is.

Verschillende materialen hebben verschillende CTE’s, waardoor ze geschikt zijn voor het specifieke gebruik waarvoor ze zijn geselecteerd. Keramiek heeft zeer lage CTE’s, terwijl polymeren hoge CTE’s hebben. Invar, een populaire legering van ijzer en nikkel, staat bekend om zijn zeer lage CTE, waardoor het stabiel is over een groot temperatuurbereik. Door deze eigenschap is het nuttig geworden bij de ontwikkeling van ijkinstrumenten. Kwik daarentegen staat bekend om zijn hoge CTE, waardoor het over een groot temperatuurbereik gevoelig is, zoals gebruikt in kwikthermometers.

In dit artikel leert u over:

• Wat een thermische uitzettingscoëfficiënt is
• Hoe de thermische uitzettingscoëfficiënt wordt gemeten
• Toepassingen en materialen die gebruik maken van de thermische uitzettingscoëfficiënt
• Toekomstige materialen/toepassingen

Wat is de thermische uitzettingscoëfficiënt?

De thermische uitzettingscoëfficiënt is de snelheid waarmee de grootte van een materiaal verandert als de temperatuur verandert. De grootte kan worden bepaald door veranderingen in lengte, oppervlakte of volume, en zo zijn er coëfficiënten af te leiden voor lineaire, oppervlakte- en volume-expansie.

Met een aangenomen constante druk kunnen lineaire expansie, oppervlakte-expansie en volume-expansie eenvoudiger worden geschreven 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}`

Waarbij `L`, `A` en `V` respectievelijk lengte, oppervlakte en volume zijn, en `T` de temperatuur is.

De meeteenheid voor thermische uitzettingscoëfficiënten is het omgekeerde van de temperatuur, oC-1 of K-1. Aan de eenheid worden echter extra dimensies toegevoegd, zoals cm/cm of mm2/mm2 , zodat kan worden afgeleid of de coëfficiënt lineair, oppervlakte- of volumetrisch is.

Wanneer materialen worden verwarmd, gaan de moleculen van dat materiaal meer bewegen en neemt de gemiddelde afstand tussen de moleculen toe, wat zich vertaalt in uitzetting van de afmetingen. Deze agitatie varieert van materiaal tot materiaal en verschillende materialen reageren op verschillende manieren op temperatuurverhoging vanwege hun atomaire bindingen en moleculaire structuren. Er zijn vele manieren waarop deze materiaaleigenschap kan worden aangepast om nuttig te zijn en andere manieren waarop er rekening mee moet worden gehouden om catastrofaal falen te voorkomen.

Meting van thermische uitzettingscoëfficiënt

De meting van thermische uitzettingscoëfficiënten gebeurt door middel van 3 hoofdmethoden; dilatometrie, interferometrie, en thermomechanische analyse.

Dilatometrie

Dilatometrie is een vrij eenvoudige techniek waarbij een proefstuk in een oven wordt geplaatst en tot bepaalde temperaturen wordt verwarmd, terwijl de veranderingen in de afmetingen van het proefstuk worden vastgelegd met behulp van drukstaafsensoren. Het heeft een temperatuurbereik van -180oC tot 900oC.

Interferometrie

Interferometrie is een optisch beeldvormings- en interferentiesysteem dat de dimensionale veranderingen tijdens verhitting of afkoeling meet in termen van dichtheid van monochromatische lichtgolflengten. Het heeft een aanzienlijk grotere nauwkeurigheid dan dilatometrie.

Thermomechanische analyse

Thermomechanische analyse omvat het gebruik van een apparaat dat, door middel van een sondezender en een transducer, de thermische uitzetting met betrekking tot temperatuurverschillen kan meten. Het heeft gewoonlijk een temperatuurbereik tussen -120oC en 600oC, dat met verschillende apparatuur kan worden uitgebreid.

Er zijn andere, minder gebruikelijke methoden die worden bedacht en gebruikt in bepaalde bijzondere omstandigheden. Er bestaan ook wijzigingen van de hierboven genoemde methoden, die een aspect van de procedure, zoals het temperatuurbereik of de nauwkeurigheid van de meting, aanzienlijk kunnen vergroten.

Toepassingen en materialen

Toepassingen waarvoor overwegingen betreffende de thermische uitzettingscoëfficiënt nodig zijn, zijn meestal metalen, omdat over korte temperatuurbereiken, waarin andere materialen niet zouden worden vernietigd, de thermische uitzetting in feite verwaarloosbaar is. Maar bij hogere temperaturen kunnen alleen metalen intact blijven. Er zijn verschillende toepassingen waarbij de thermische uitzetting ernstig in aanmerking moet worden genomen. In sommige gevallen is het wenselijk dat de CTE van het gebruikte materiaal zeer laag is (zoals bij legeringen met lage uitzetting) en in andere gevallen is het vereist dat deze zo hoog mogelijk is (zoals bij aluminiumlegeringen).

Legeringen met lage uitzetting vinden toepassing in klokken/uurwerken, zuigers voor interne verbrandingsmotoren, supergeleidende systemen, en elektronica. Anderzijds moet rekening worden gehouden met thermische uitzetting wanneer belangrijke of kritische onderdelen een grote hoeveelheid aluminium bevatten. Bij lastoepassingen moeten de thermische uitzettingscoëfficiënten van twee verschillende metalen die aan elkaar worden gelast, gelijk zijn, anders bestaat het risico dat langs de las restspanningen worden opgebouwd, hetgeen tot falen kan leiden. Hetzelfde idee geldt in de bouw (zoals hoogbouw, bruggen), waar tussen de kernconstructie openingen worden gelaten, niet alleen om rekening te houden met seismische bewegingen, maar ook met thermische uitzettingen. Thermische uitzettingscoëfficiënt van gebruikelijke materialen

Materiaal	Lineaire temperatuuruitzettingscoëfficiënt (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamant
Glas, Pyrex
Hout, grenen
Metselwerk van baksteen
Kovar
Glas, hard
Graniet
Platina
Gegoten ijzer
Nikkel
Staal
Goud
Beton
Koper
Brons
Brons
Aluminium
Calcium
Ice
Mercury
Celluloid

Toekomstige toepassingen en materialen

Naarmate de foutmarges kleiner worden en de behoefte aan perfect gedefinieerde thermische uitzetting over bepaalde temperatuurbereiken toeneemt, nemen ook de testmethoden en de ontwikkeling van nieuwe materialen toe om aan deze vraag te voldoen. Er zijn al nieuwere methoden voor het meten van CTE’s ontwikkeld, zoals de infrarood-beeldcorrelatie (IIC) en digitale beeldcorrelatie.

Nieuwe manieren om de thermische uitzetting van materialen zoals Kevlar-strengen te verminderen door ze als touw in elkaar te draaien, zijn onderzocht. Andere materialen, zoals siliciumcarbide dat wordt gebruikt bij de bouw van ruimtetelescopen, zijn nauwkeurig afgestemd op temperaturen van -190oC. Uitgebreide gegevens van materialen en hun CTE’s worden bepaald en gedocumenteerd om de materiaalselectie voor specifieke behoeften te vergemakkelijken.