Temperaturutvidgningskoefficienten (CTE) är den hastighet med vilken ett material expanderar med ökad temperatur. Mer specifikt bestäms denna koefficient vid konstant tryck och utan fasförändring, dvs. materialet förväntas fortfarande vara i sin fasta eller flytande form.

Olika material har olika CTE, vilket gör att de lämpar sig för den särskilda användning de väljs för. Keramik har mycket låga CTE medan polymerer har höga CTE. När det gäller metaller är Invar, en populär legering av järn och nickel, känd för sin mycket låga CTE, vilket gör den stabil över stora temperaturområden. Denna egenskap har gjort den användbar vid utveckling av kalibreringsinstrument. Kvicksilver, å andra sidan, är känt för sin höga CTE, vilket gör att det reagerar över ett brett temperaturintervall, vilket används i kvicksilvertermometrar.

I den här artikeln får du veta mer om:

• Vad en värmeutvidgningskoefficient är
• Hur värmeutvidgningskoefficienten mäts
• Användningar och material som utnyttjar värmeutvidgningskoefficienten
• Framtida material/tillämpningar

Vad är värmeutvidgningskoefficienten?

Den termiska expansionskoefficienten är den hastighet med vilken storleken på ett material förändras med avseende på temperaturförändring. Storleksöverväganden kan göras genom förändringar i längd, area eller volym, och därför finns det koefficienter som kan härledas för linjär-, area- och volymexpansion.

Med ett antaget konstant tryck kan linjär expansion, areaexpansion och volymexpansion skrivas enklare som;

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

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

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

Varvid `L`, `A` och `V` är längd, area respektive volym och `T` är temperaturen.

Måttenheten för termiska expansionskoefficienter är den inversa delen av temperaturen, oC-1 eller K-1. Extra dimensioner som cm/cm eller mm2/mm2 läggs dock till enheten så att det kan utläsas om koefficienten är linjär, area eller volymmässig.

När material värms upp börjar molekylerna i materialet röra sig mer och det genomsnittliga avståndet mellan dem ökar vilket översätts till expansion av dess dimensioner. Denna agitation varierar från material till material och olika material reagerar på temperaturökning på olika sätt på grund av sina atombindningar och molekylstrukturer. Det finns många sätt på vilka denna materialegenskap kan anpassas för att vara användbar och andra sätt på vilka den måste beaktas för att undvika katastrofala fel.

Mätning av värmeutvidgningskoefficient

Mätningen av värmeutvidgningskoefficienter sker med hjälp av 3 huvudmetoder; dilatometri, interferometri och termomekanisk analys.

Dilatometri

Dilatometri är en ganska okomplicerad teknik där ett provexemplar placeras i en ugn och värms upp till vissa temperaturer medan förändringarna i provets dimensioner fångas upp via tryckstångssensorer. Den har ett temperaturområde på mellan -180oC och 900oC.

Interferometri

Interferometri är ett optiskt avbildnings- och interferenssystem som mäter dimensionsförändringarna under upphettning eller nedkylning i termer av monokromatisk ljusvåglängdstäthet. Den har betydligt högre noggrannhet än dilatometri.

Thermomekanisk analys

Thermomekanisk analys innebär att man använder en apparat som med hjälp av en sondersändare och en transducer kan mäta termisk expansion med avseende på temperaturskillnader. Den har vanligtvis ett temperaturområde på mellan -120oC och 600oC som kan utökas med olika utrustning.

Det finns andra mindre vanliga metoder som utarbetas och används under vissa speciella förhållanden. Det finns också modifieringar av de ovan nämnda metoderna som kan öka en aspekt av förfarandet avsevärt, t.ex. temperaturområdet eller mätnoggrannheten.

Användningar och material

Användningar som kräver hänsyn till den termiska expansionskoefficienten är oftast metaller, eftersom den termiska expansionen över korta temperaturområden, där andra material inte skulle förstöras, i själva verket är försumbar. Vid högre temperaturområden är det dock endast metaller som kan förbli intakta. Det finns olika tillämpningar som kräver att man tar hänsyn till termisk expansion på allvar. I vissa fall är det önskvärt att CTE för det material som används är mycket låg (t.ex. i legeringar med låg expansion) och i vissa fall krävs det att den är så hög som möjligt (t.ex. i aluminiumlegeringar).

Låg-expansionslegeringar finner tillämpning i klockor/ur, kolvar för förbränningsmotorer, superledande system och elektronik. Å andra sidan måste hänsyn tas till termisk expansion när betydande eller kritiska delar innehåller en stor mängd aluminium. Vid svetsning bör värmeutvidgningskoefficienterna för två olika metaller som svetsas samman vara likartade, annars finns det risk för att restspänningar byggs upp längs svetsen, vilket kan leda till fel. Samma idé gäller i konstruktioner (t.ex. höghus, broar) där luckor lämnas mellan kärnstrukturen, inte bara för att ta hänsyn till seismiska rörelser utan även till termisk expansion.

Tabell 1. Termisk expansionskoefficient för vanliga material

Material	Linjär temperaturutvidgningskoefficient (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamant
Glas, Pyrex
Trä, tall
Murverk av tegel
Kovar
Glas, hård
Granit
Platin
Gjutjärn
Nickel
Stål
Guld
Beton
Koppar
Bronze
Mässing
Aluminium
Kalcium
Is
Mercury
Celluloid

Framtida tillämpningar och material

I takt med att felmarginalerna minskar och behovet av en perfekt definierad värmeutvidgning inom vissa temperaturområden ökar, ökar också testmetoderna och skapandet av nya material för att möta detta behov. Det har redan utvecklats nyare metoder för att mäta CTE, t.ex. infraröd bildkorrelation (IIC) och digital bildkorrelation .

Nya sätt att sänka värmeutvidgningen hos material som Kevlarsträngar genom att vrida ihop dem som rep har undersökts . Andra material, t.ex. kiselkarbid som används vid byggandet av rymdteleskop, är finjusterade för temperaturer så låga som -190oC. Omfattande data om material och deras CTE bestäms och dokumenteras för att underlätta materialvalsprocessen för specifika behov.