Test du coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)

Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit le changement de longueur d'un matériau en fonction de la température. Une distinction est faite entre le coefficient moyen de dilatation thermique linéaire et le coefficient physique (différentiel) de dilatation thermique linéaire. Le coefficient moyen de dilatation thermique linéaire est défini comme la pente d'une sécante passant par deux points de la courbe de dilatation thermique. Le coefficient physique (différentiel) de dilatation thermique linéaire est la pente de la courbe de dilatation à une température donnée. Il correspond donc à la première dérivée de la courbe de dilatation thermique par rapport à la température.

La dilatation ou la contraction thermique se produit lorsqu'un matériau est soumis à un changement de température et entraîne donc une modification des dimensions globales et d'autres propriétés physiques. Cet effet est plus prononcé dans les gaz et les liquides, mais il est également évident dans les solides. Les matériaux plus souples, tels que les polymères non renforcés, subissent des niveaux plus élevés de changement dimensionnel par degré de changement de température.

Lorsqu’il s’agit de traiter des polymères, la chaleur fait toujours partie de l’équation. L’augmentation de la température sur n’importe quel polymère ou composite peut entraîner des changements importants dans les dimensions, le gauchissement des pièces ou les contraintes internes. Il est donc essentiel pour les concepteurs de comprendre l’ampleur de la dilatation thermique qu’un matériau subira au cours des opérations d’usinage.

L’un des tests utilisés par les ingénieurs et les concepteurs pour mesurer la stabilité dimensionnelle d’un matériau sous l’effet de la chaleur est le coefficient de dilatation thermique linéaire. Les entreprises veillent à garantir des résultats inégalés afin de garantir des dimensions et des propriétés optimales pour les polymères et composites traités.

Le coefficient de dilatation thermique linéaire est calculé en divisant la dilatation linéaire par unité de longueur par le changement de température. Lors de la déclaration du coefficient moyen de dilatation thermique, les plages de température doivent être spécifiées. Dans de nombreux matériaux, le coefficient de dilatation thermique linéaire peut changer en fonction des variations de température. Ce n’est pas toujours linéaire, mais on suppose souvent qu’il l’est pour des applications moins critiques ou des estimations rapides.

La dilatation thermique des matériaux provoque des fissures et des contraintes prématurées qui peuvent conduire à la défaillance des pièces. Comprendre ce type d’expansion n’est pas seulement une préoccupation financière, cela aide également à déterminer le type de matériau pour la qualité et la fonction. Il est important de connaître le comportement dimensionnel des pièces usinées exposées aux variations de température. Il détermine également les contraintes thermiques qui peuvent survenir et provoquer une défaillance lorsqu'un élément solide composé de matériaux différents est exposé à la température (en particulier lors de l'estimation d'une liaison efficace des matériaux ou lors de l'utilisation de plastiques avec des métaux).

Les normes les plus couramment utilisées pour mesurer le coefficient de dilatation thermique linéaire des plastiques sont :

ASTM D696-16 Méthode d'essai standard pour le coefficient de dilatation thermique linéaire des plastiques par dilatomètre en silice vitreuse à moins 30 degrés à plus 30 degrés
ASTM E831-19 Méthode d'essai standard pour la dilatation thermique linéaire des matériaux solides par analyse thermomécanique
ASTM E228-17 Méthode d'essai standard pour la dilatation thermique linéaire des matériaux solides par dilatomètre à tige de poussée
ISO 11359 Plastiques - Analyse thermomécanique (TMA)

Les méthodes couramment utilisées pour déterminer le coefficient de dilatation thermique linéaire sont :

Dilatométrie : Technique dans laquelle une dimension d'une substance sous une charge négligeable est mesurée dans le cadre d'un programme de température contrôlée dans un environnement atmosphérique spécifié, par exemple en mesurant l'expansion ou la contraction.
Interférométrie : C'est une technique de diagnostic et de recherche qui utilise le phénomène d'interférence entre les ondes. On observe que lorsque deux ou plusieurs ondes se chevauchent en un point de l’espace, l’intensité de l’onde résultante en ce point peut différer de la somme des intensités des ondes initiales.
Analyse thermomécanique : Technique utilisée pour déterminer les variations dimensionnelles d'un échantillon en fonction de la température, comme la température de ramollissement, la température de transition vitreuse et le coefficient de dilatation thermique linéaire (CTE). L’application la plus courante de cette technique est la détermination de l’ETC.

Le test du coefficient de dilatation thermique linéaire est considéré comme important pour les raisons suivantes :

Compatibilité thermique : lorsque deux matériaux ayant des valeurs CLTE différentes (comme le métal et le plastique) sont collés, ils se dilatent à des vitesses différentes avec la chaleur. Cela peut provoquer des fissures, des déformations ou des délaminages, en particulier dans les composites ou l’électronique.
Électronique et semi-conducteurs : les cartes de circuits imprimés (PCB), les boîtiers de circuits intégrés (CI) et les joints de soudure impliquent tous une dilatation et une contraction des matériaux. Un CLTE mal adapté peut entraîner des contraintes mécaniques et des défaillances lors du cyclage thermique.
Ingénierie de précision : dans l'aérospatiale, les systèmes optiques ou mécaniques avec des tolérances serrées, même de petites expansions sont importantes. Les concepteurs doivent sélectionner des matériaux avec des CLTE faibles ou correspondants pour maintenir la précision et l'alignement.
Impression 3D / plastiques : Dans les pièces à base de polymères, des valeurs CLTE élevées peuvent entraîner une déformation lors du refroidissement, en particulier dans des procédés tels que le moulage par injection ou l'impression 3D.
Bâtiment et construction : Les structures exposées à des changements de température doivent tenir compte de la dilatation (par exemple, les ponts avec joints de dilatation). Le fait de ne pas tenir compte du CLTE peut entraîner des fissures ou des entorses.

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