Coeficientul de dilatare termică (CTE) se referă la rata la care un material se dilată odată cu creșterea temperaturii. Mai precis, acest coeficient este determinat la presiune constantă și fără o schimbare de fază, adică se așteaptă ca materialul să fie încă în forma sa solidă sau fluidă.

Diferite materiale au CTE-uri diferite, ceea ce le face potrivite pentru utilizarea specială pentru care sunt selectate. Ceramica are un CTE foarte scăzut, în timp ce polimerii au un CTE ridicat. În ceea ce privește metalele, Invar, un aliaj popular de fier și nichel, este cunoscut pentru CTE-ul său foarte scăzut, ceea ce îl face stabil pe intervale largi de temperatură. Proprietatea sa l-a făcut util în dezvoltarea instrumentelor de calibrare. Pe de altă parte, mercurul este cunoscut pentru CTE-ul său ridicat, ceea ce îl face să fie receptiv pe o gamă largă de temperaturi, așa cum se utilizează în termometrele cu mercur.

În acest articol, veți afla despre:

• Ce este un coeficient de dilatare termică
• Cum se măsoară coeficientul de dilatare termică
• Aplicații și materiale care utilizează coeficientul de dilatare termică
• Materiale/aplicații viitoare

Ce este coeficientul de dilatare termică?

Coeficientul de dilatare termică este rata cu care se modifică dimensiunea unui material în raport cu modificarea temperaturii. Considerațiile de mărime pot fi făcute prin modificări de lungime, de suprafață sau de volum, și astfel există coeficienți care pot fi derivați pentru dilatarea liniară, de suprafață și de volum.

Cu o presiune presupusă constantă, dilatarea liniară, dilatarea de suprafață și dilatarea de volum pot fi scrise mai simplu ca;

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

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

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

În care `L`, `A` și `V` sunt lungimea, suprafața și respectiv volumul, iar `T` este temperatura.

Unitatea de măsură pentru coeficienții de dilatare termică este inversul temperaturii, oC-1 sau K-1. Cu toate acestea, la unitate se adaugă dimensiuni suplimentare, cum ar fi cm/cm sau mm2/mm2, astfel încât să se poată deduce dacă coeficientul este liniar, de arie sau volumetric.

Când materialele sunt încălzite, moleculele acelui material încep să se agite mai mult și distanța medie dintre ele crește, ceea ce se traduce prin dilatarea dimensiunilor sale. Această agitație variază de la un material la altul și diferite materiale răspund la creșterea temperaturii în moduri diferite din cauza legăturilor lor atomice și a structurilor moleculare. Există multe moduri în care această proprietate a materialului poate fi adaptată pentru a fi utilă și alte moduri în care trebuie să fie luată în considerare pentru a evita o defecțiune catastrofală.

Măsurarea coeficientului de dilatare termică

Măsurarea coeficienților de dilatare termică are loc prin 3 metode principale; dilatometria, interferometria și analiza termomecanică.

Dilatometria

Dilatometria este o tehnică destul de simplă în care o probă de testare este plasată într-un cuptor și încălzită la anumite temperaturi în timp ce modificările dimensiunilor probei sunt captate prin intermediul unor senzori cu tijă de împingere. Are un interval de temperatură cuprins între -180oC și 900oC.

Interferometrie

Interferometria este un sistem optic de imagistică și interferență care măsoară modificările dimensionale în timpul încălzirii sau răcirii în termeni de densitate a lungimii de undă a luminii monocromatice. Are o precizie semnificativ mai mare decât dilatometria.

Analiză termomecanică

Analiza termomecanică presupune utilizarea unui aparat care, prin intermediul unui emițător cu sondă și al unui traductor, poate măsura dilatarea termică în funcție de diferențele de temperatură. De obicei, are un interval de temperatură cuprins între -120oC și 600oC, care poate fi extins cu diferite echipamente.

Există și alte metode mai puțin obișnuite care sunt concepute și utilizate în anumite condiții speciale. Există, de asemenea, modificări ale metodelor numite mai sus, care pot mări foarte mult un aspect al procedurii, cum ar fi domeniul de temperatură sau precizia măsurătorilor.

Aplicații și materiale

Aplicațiile care necesită considerații privind coeficientul de dilatare termică sunt, în principal, metalele, deoarece pe intervale scurte de temperatură, în care alte materiale nu s-ar distruge, dilatarea termică este, de fapt, neglijabilă. Cu toate acestea, pe intervale de temperatură mai mari, numai metalele pot rămâne intacte. Există diverse aplicații care necesită ca dilatarea termică să fie luată în considerare în mod serios. În unele cazuri, este de dorit ca CTE al materialului utilizat să fie foarte scăzut (cum ar fi în cazul aliajelor cu dilatare redusă), iar în alte cazuri, se cere ca acesta să fie cât mai ridicat posibil (cum ar fi în cazul aliajelor de aluminiu).

Aleii cu dilatare redusă își găsesc aplicații în ceasuri și ceasuri de mână, pistoane pentru motoare cu ardere internă, sisteme superconductoare și electronice. Pe de altă parte, trebuie să se facă toleranțe pentru dilatarea termică ori de câte ori piese semnificative sau critice conțin o cantitate mare de aluminiu. În aplicațiile de sudare, coeficienții de dilatare termică a două metale diferite care sunt sudate împreună trebuie să fie similari, altfel există riscul acumulării de tensiuni reziduale de-a lungul sudurii, ceea ce poate duce la defecțiuni. Aceeași idee se aplică în construcții (cum ar fi clădirile înalte, podurile), unde se lasă spații între structura de bază nu numai pentru a ține cont de mișcările seismice, ci și de dilatările termice .

Tabel 1. Coeficientul de dilatare termică a materialelor uzuale

.

.

.

.

.

.

Material	Coeficientul de dilatare termică liniară la temperatură (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamant
Glas, Pyrex
Lemn, pin
Cărămidă de zidărie
Kovar
Glas, dur
Granit
Platină
Fierul turnat
Nichel
Oțel
Our
Beton
Ceton
Cupru
Bronz
Lamă
Aluminiu
Calciu
Gheață
Mercur
Celuloid

Aplicații și materiale viitoare

Pe măsură ce marjele de eroare se reduc și crește necesitatea unei dilatări termice perfect definite în anumite intervale de temperatură, la fel cresc și metodele de testare și crearea de noi materiale pentru a satisface această cerere. Deja au fost dezvoltate noi metode de măsurare a CTE, cum ar fi corelația imaginii în infraroșu (IIC) și corelația digitală a imaginii .

Au fost explorate noi modalități de reducere a dilatării termice a materialelor, cum ar fi firele de Kevlar, prin răsucirea lor împreună ca o frânghie . Alte materiale, cum ar fi carbura de siliciu utilizată în construcția telescoapelor spațiale, sunt reglate cu finețe pentru temperaturi de până la -190oC. Sunt determinate și documentate date complete privind materialele și CTE-urile acestora pentru a ușura procesele de selecție a materialelor pentru nevoi specifice .

.