Изпитване на коефициент на линейно термично разширение (CLTE/CTE)

Коефициентът на линейно термично разширение (CLTE) описва промяната на дължината на материала в зависимост от температурата. Прави се разлика между средния коефициент на линейно термично разширение и физическия (диференциален) коефициент на линейно термично разширение. Средният коефициент на линейно термично разширение се определя като наклона на секуща, преминаваща през две точки от кривата на термично разширение. Физическият (диференциален) коефициент на линейно термично разширение е наклонът на кривата на разширение при дадена температура. Следователно, това съответства на първата производна на кривата на топлинно разширение спрямо температурата.

Термично разширение или свиване възниква, когато материалът е подложен на промяна в температурата и следователно води до промяна в общите размери и други физични свойства. Този ефект е по-силно изразен в газове и течности, но е очевиден и в твърди тела. По-меките материали, като неармирани полимери, претърпяват по-големи нива на промяна в размерите на градус промяна в температурата.

Когато става въпрос за обработка на полимери, топлината винаги е част от уравнението. Повишаването на температурата на който и да е полимер или композит може да доведе до значителни промени в размерите, деформация на детайлите или вътрешно напрежение. Ето защо е изключително важно за дизайнерите да разберат какво термично разширение ще претърпи материалът по време на машинната обработка.

Един от тестовете, които инженерите и дизайнерите използват за измерване на размерната стабилност на материал под въздействието на топлина, е коефициентът на линейно термично разширение. Компаниите полагат големи грижи, за да осигурят несравними резултати, за да гарантират оптимални размери и свойства на обработваните полимери и композити.

Коефициентът на линейно термично разширение се изчислява чрез разделяне на линейното разширение на единица дължина на промяната в температурата. При отчитане на средния коефициент на термично разширение трябва да се посочат температурните диапазони. При много материали коефициентът на линейно термично разширение може да се променя с промяна на температурата. Тя не винаги е линейна, но често се приема за линейна за по-малко критични приложения или бързи оценки.

Термичното разширение в материалите причинява преждевременни пукнатини и напрежения, които могат да доведат до повреда на детайлите. Разбирането на този тип разширение не е само финансов проблем, но помага и при определянето на вида материал за качество и функционалност. Важно е да се знае размерното поведение на обработените части, изложени на температурни промени. Той също така определя термичните напрежения, които могат да възникнат и да причинят повреда, когато твърд елемент, съставен от различни материали, е изложен на температура (особено при оценка на ефективното свързване на материалите или при използване на пластмаси с метали).

Най-често използваните стандарти за измерване на коефициента на линейно термично разширение в пластмасите са:

• ASTM D696-16 Стандартен метод за изпитване на коефициент на линейно термично разширение на пластмаси чрез дилатометър от стъкловиден силициев диоксид при минус 30 градуса до плюс 30 градуса
• ASTM E831-19 Стандартен метод за изпитване на линейно термично разширение на твърди материали чрез термомеханичен анализ
• ASTM E228-17 Стандартен метод за изпитване на линейно термично разширение на твърди материали чрез дилатометър с тласкаща пръчка
• ISO 11359 Пластмаси - Термомеханичен анализ (TMA)

Често използвани методи за определяне на коефициента на линейно термично разширение са:

• Дилатометрия: Техника, при която едно измерение на вещество под незначително натоварване се измерва при контролирана температурна програма в определена атмосферна среда, например чрез измерване на разширение или свиване.
• Интерферометрия: Това е диагностична и изследователска техника, която използва феномена на интерференция между вълните. Наблюдава се, че когато две или повече вълни се припокриват в една точка от пространството, интензитетът на получената вълна в тази точка може да се различава от сумата от интензитетите на началните вълни.
• Термомеханичен анализ: Техника, използвана за определяне на промените в размерите на проба по отношение на температурата, като например температурата на омекване, температурата на стъкловиден преход и коефициентът на линейно термично разширение (КТР). Най-честото приложение на тази техника е за определяне на CTE.

Изпитването за коефициент на линейно термично разширение се счита за важно поради следните причини:

• Термична съвместимост: Когато два материала с различни CLTE стойности (като метал и пластмаса) са свързани, те се разширяват с различна скорост от топлината. Това може да причини напукване, деформация или разслояване, особено в композитни материали или електроника.
• Електроника и полупроводници: Печатните платки (PCB), корпусите на интегрални схеми (IC) и споените съединения включват разширяване и свиване на материалите. Несъответстващият CLTE може да доведе до механично напрежение и повреда по време на термично циклиране.
• Прецизно инженерство: В аерокосмическите, оптичните или механичните системи с строги допуски, дори малките разширения са важни. Дизайнерите трябва да избират материали с ниски или съответстващи CLTE, за да поддържат точност и подравняване.
• 3D печат / пластмаси: При части на полимерна основа, високите стойности на CLTE могат да доведат до деформация по време на охлаждане, особено в процеси като шприцване или 3D печат.
• Строителство и конструкция: Конструкциите, изложени на променящи се температури, трябва да отчитат разширението (напр. мостове с разширителни фуги). Неотчитането на CLTE може да доведе до пукнатини или навяхвания.

Нашата организация, която от години се стреми да подкрепя бизнеса от всеки сектор с широк спектър от тестове, измервания, анализи и оценки, разполага със силен екип, който следи отблизо развитието в света в областта на науката и технологиите и непрекъснато се усъвършенства. В този контекст, на бизнеса се предоставят и услуги за изпитване на коефициента на линейно термично разширение (CLTE/CTE).