Test des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE/CTE)

Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (CLTE) beschreibt die Längenänderung eines Materials in Abhängigkeit von der Temperatur. Man unterscheidet zwischen dem mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem physikalischen (differentiellen) linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der durchschnittliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizient wird als Steigung einer Sekante definiert, die durch zwei Punkte der Wärmeausdehnungskurve verläuft. Der physikalische (differenzielle) lineare Wärmeausdehnungskoeffizient ist die Steigung der Ausdehnungskurve bei einer bestimmten Temperatur. Es entspricht daher der ersten Ableitung der Wärmeausdehnungskurve nach der Temperatur.

Wenn ein Material einer Temperaturänderung ausgesetzt wird, kommt es zu einer thermischen Ausdehnung oder Kontraktion, was zu einer Änderung der Gesamtabmessungen und anderer physikalischer Eigenschaften führt. Dieser Effekt ist bei Gasen und Flüssigkeiten stärker ausgeprägt, tritt aber auch bei Feststoffen auf. Weichere Materialien, wie etwa unverstärkte Polymere, unterliegen einer größeren Maßänderung pro Grad Temperaturänderung.

Bei der Verarbeitung von Polymeren ist immer auch Wärme im Spiel. Eine Erhöhung der Temperatur eines Polymers oder Verbundwerkstoffs kann zu erheblichen Maßänderungen, Verformungen der Teile oder zu inneren Spannungen führen. Daher ist es für Konstrukteure von entscheidender Bedeutung, zu wissen, wie stark sich ein Material bei der Bearbeitung thermisch ausdehnt.

Einer der Tests, mit denen Ingenieure und Designer die Dimensionsstabilität eines Materials unter Hitzeeinwirkung messen, ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient. Die Unternehmen legen größten Wert auf unübertroffene Ergebnisse, um optimale Abmessungen und Eigenschaften der verarbeiteten Polymere und Verbundwerkstoffe sicherzustellen.

Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient wird berechnet, indem die lineare Ausdehnung pro Längeneinheit durch die Temperaturänderung geteilt wird. Bei der Angabe des durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten sollten Temperaturbereiche angegeben werden. Bei vielen Materialien kann sich der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient bei Temperaturänderungen ändern. Es ist nicht immer linear, wird aber bei weniger kritischen Anwendungen oder schnellen Schätzungen oft als linear angenommen.

Die Wärmeausdehnung in Materialien führt zu vorzeitigen Rissen und Spannungen, die zum Versagen von Teilen führen können. Das Verständnis dieser Art von Erweiterung ist nicht nur eine finanzielle Angelegenheit, sondern hilft auch bei der Bestimmung der Art des Materials hinsichtlich Qualität und Funktion. Es ist wichtig, das Dimensionsverhalten von bearbeiteten Teilen zu kennen, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Außerdem werden die thermischen Spannungen ermittelt, die auftreten und zu einem Versagen führen können, wenn ein festes Element aus unterschiedlichen Materialien einer Temperatur ausgesetzt wird (insbesondere bei der Abschätzung einer effizienten Materialbindung oder bei der Verwendung von Kunststoffen mit Metallen).

Die am häufigsten verwendeten Standards zur Messung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kunststoffen sind:

• ASTM D696-16 Standardprüfverfahren für den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kunststoffen mittels Quarzglas-Dilatometer bei minus 30 Grad bis plus 30 Grad
• ASTM E831-19 Standardprüfverfahren für die lineare Wärmeausdehnung von festen Materialien durch thermomechanische Analyse
• ASTM E228-17 Standardprüfverfahren für die lineare Wärmeausdehnung von festen Materialien mittels Schubstangendilatometer
• ISO 11359 Kunststoffe – Thermomechanische Analyse (TMA)

Gängige Methoden zur Bestimmung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind:

• Dilatometrie: Eine Technik, bei der eine Dimension einer Substanz unter einer vernachlässigbaren Last unter einem kontrollierten Temperaturprogramm in einer bestimmten atmosphärischen Umgebung gemessen wird, beispielsweise durch Messung der Ausdehnung oder Kontraktion.
• Interferometrie: Hierbei handelt es sich um eine Diagnose- und Forschungstechnik, die das Phänomen der Interferenz zwischen Wellen nutzt. Es wird beobachtet, dass, wenn sich zwei oder mehr Wellen an einem Punkt im Raum überlappen, die Intensität der resultierenden Welle an diesem Punkt von der Summe der Intensitäten der ursprünglichen Wellen abweichen kann.
• Thermomechanische Analyse: Eine Technik zur Bestimmung der Maßänderungen einer Probe in Abhängigkeit von der Temperatur, wie beispielsweise Erweichungstemperatur, Glasübergangstemperatur und linearer Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE). Die häufigste Anwendung dieser Technik ist die Bestimmung des CTE.

Der Test des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird aus folgenden Gründen als wichtig erachtet:

• Thermische Kompatibilität: Wenn zwei Materialien mit unterschiedlichen CLTE-Werten (wie Metall und Kunststoff) verbunden werden, dehnen sie sich bei Wärme unterschiedlich schnell aus. Dies kann insbesondere bei Verbundwerkstoffen oder elektronischen Geräten zu Rissen, Verformungen oder Delaminationen führen.
• Elektronik und Halbleiter: Leiterplatten (PCBs), Gehäuse für integrierte Schaltkreise (ICs) und Lötverbindungen sind allesamt mit der Ausdehnung und Kontraktion von Materialien verbunden. Nicht übereinstimmende CLTE können bei Temperaturwechseln zu mechanischer Belastung und Ausfällen führen.
• Feinmechanik: In der Luft- und Raumfahrt, bei optischen oder mechanischen Systemen mit engen Toleranzen kommt es auch auf kleine Ausdehnungen an. Designer müssen Materialien mit niedrigen oder passenden CLTEs auswählen, um Genauigkeit und Ausrichtung aufrechtzuerhalten.
• 3D-Druck/Kunststoffe: Bei polymerbasierten Teilen können hohe CLTE-Werte zu Verzügen beim Abkühlen führen, insbesondere bei Verfahren wie Spritzguss oder 3D-Druck.
• Bauwesen: Bei Bauwerken, die wechselnden Temperaturen ausgesetzt sind, muss eine Ausdehnung berücksichtigt werden (z. B. Brücken mit Dehnungsfugen). Wird CLTE nicht berücksichtigt, kann es zu Rissen oder Verstauchungen kommen.

Unsere Organisation, die seit Jahren versucht, Unternehmen aus allen Branchen mit einer breiten Palette von Test-, Mess-, Analyse- und Bewertungsstudien zu unterstützen, verfügt über einen starken Mitarbeiterstamm, der die Entwicklungen in der Welt der Wissenschaft und Technologie aufmerksam verfolgt und sich ständig verbessert. In diesem Zusammenhang werden Unternehmen auch Prüfdienste für den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE/CTE) angeboten.