Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)

Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w zależności od temperatury. Rozróżnia się średni współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej oraz fizyczny (różnicowy) współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej. Średni współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej definiuje się jako nachylenie siecznej przechodzącej przez dwa punkty krzywej rozszerzalności cieplnej. Współczynnik fizyczny (różnicowy) liniowej rozszerzalności cieplnej to nachylenie krzywej rozszerzalności cieplnej w danej temperaturze. Odpowiada więc pierwszej pochodnej krzywej rozszerzalności cieplnej względem temperatury.

Rozszerzalność i kurczenie się cieplne występuje, gdy materiał jest poddawany zmianie temperatury, co powoduje zmianę jego ogólnych wymiarów i innych właściwości fizycznych. Efekt ten jest bardziej widoczny w przypadku gazów i cieczy, ale występuje również w ciałach stałych. Materiały o mniejszej miękkości, takie jak polimery niewzmocnione, charakteryzują się większą zmianą wymiarów przy zmianie temperatury o jeden stopień.

Jeśli chodzi o przetwarzanie polimerów, ciepło zawsze stanowi część równania. Zwiększenie temperatury dowolnego polimeru lub kompozytu może prowadzić do znaczących zmian wymiarów, odkształcenia części lub naprężeń wewnętrznych. Dlatego dla projektantów niezwykle istotne jest zrozumienie, jakiemu stopniowi rozszerzalności cieplnej będzie poddawany materiał podczas obróbki skrawaniem.

Jednym z testów, jakie inżynierowie i projektanci wykorzystują w celu pomiaru stabilności wymiarowej materiału pod wpływem ciepła, jest współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej. Firmy dokładają wszelkich starań, aby zapewnić niezrównane wyniki w celu zagwarantowania optymalnych wymiarów i właściwości przetwarzanych polimerów i kompozytów.

Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej oblicza się poprzez podzielenie liniowego rozszerzenia na jednostkę długości przez zmianę temperatury. Podając średni współczynnik rozszerzalności cieplnej należy podać zakresy temperatur. W przypadku wielu materiałów współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej może zmieniać się wraz ze zmianą temperatury. Nie zawsze jest ona liniowa, ale często przyjmuje się, że jest liniowa w mniej krytycznych zastosowaniach lub do szybkich szacunków.

Rozszerzalność cieplna materiałów powoduje przedwczesne pęknięcia i naprężenia, które mogą doprowadzić do uszkodzenia części. Zrozumienie tego typu rozbudowy nie jest tylko kwestią finansową, ale pomaga również w określeniu rodzaju materiału pod kątem jakości i funkcjonalności. Istotna jest znajomość zachowania wymiarów obrabianych mechanicznie części narażonych na zmiany temperatury. Określa również naprężenia cieplne, które mogą wystąpić i spowodować uszkodzenie, gdy element stały złożony z różnych materiałów zostanie wystawiony na działanie temperatury (szczególnie przy szacowaniu efektywnego łączenia materiałów lub w przypadku stosowania tworzyw sztucznych z metalami).

Do pomiaru współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej tworzyw sztucznych najczęściej stosuje się następujące normy:

• ASTM D696-16 Standardowa metoda badania współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej tworzyw sztucznych za pomocą dylatometru z krzemionką szklistą w zakresie od minus 30 stopni do plus 30 stopni
• ASTM E831-19 Standardowa metoda badania liniowej rozszerzalności cieplnej materiałów stałych za pomocą analizy termomechanicznej
• ASTM E228-17 Standardowa metoda badania liniowej rozszerzalności cieplnej materiałów stałych za pomocą dylatometru prętowego
• ISO 11359 Tworzywa sztuczne - Analiza termomechaniczna (TMA)

Do określania współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej stosuje się najczęściej następujące metody:

• Dylatometria: Technika, w której jeden wymiar substancji poddanej pomijalnemu obciążeniu jest mierzony w kontrolowanym programie temperaturowym w określonym środowisku atmosferycznym, na przykład poprzez pomiar rozszerzalności lub kurczenia.
• Interferometria: Technika diagnostyczno-badawcza wykorzystująca zjawisko interferencji fal. Obserwuje się, że gdy dwie lub więcej fal nakłada się na siebie w jednym punkcie przestrzeni, natężenie fali wynikowej w tym punkcie może różnić się od sumy natężeń fal początkowych.
• Analiza termomechaniczna: Technika służąca do określania zmian wymiarów próbki w zależności od temperatury, takich jak temperatura mięknienia, temperatura zeszklenia i współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CTE). Najczęstszym zastosowaniem tej techniki jest określanie współczynnika CTE.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej jest uważany za istotny z następujących powodów:

• Kompatybilność termiczna: Gdy połączymy dwa materiały o różnych wartościach CLTE (np. metal i plastik), pod wpływem ciepła rozszerzają się one w różnym tempie. Może to powodować pękanie, odkształcanie lub rozwarstwianie, zwłaszcza w materiałach kompozytowych i urządzeniach elektronicznych.
• Elektronika i półprzewodniki: Płytki drukowane (PCB), obudowy układów scalonych (IC) i połączenia lutowane — wszystkie te procesy wiążą się z rozszerzaniem i kurczeniem się materiałów. Niedopasowanie CLTE może prowadzić do naprężeń mechanicznych i awarii podczas cykli termicznych.
• Inżynieria precyzyjna: W lotnictwie, systemach optycznych i mechanicznych o wąskich tolerancjach nawet niewielkie rozszerzenia mają duże znaczenie. Aby zachować dokładność i dopasowanie, projektanci muszą wybierać materiały o niskim lub takim samym współczynniku CLTE.
• Druk 3D / tworzywa sztuczne: W przypadku części na bazie polimerów wysokie wartości CLTE mogą prowadzić do odkształceń podczas chłodzenia, zwłaszcza w takich procesach jak formowanie wtryskowe lub druk 3D.
• Budownictwo: Konstrukcje narażone na zmiany temperatur muszą uwzględniać możliwość rozszerzalności (np. mosty ze złączami dylatacyjnymi). Nieuwzględnienie CLTE może prowadzić do pęknięć lub skręceń.

Nasza organizacja, która od lat stara się wspierać przedsiębiorstwa z każdej branży, realizując szeroką gamę badań testowych, pomiarowych, analitycznych i ewaluacyjnych, dysponuje silną kadrą, która uważnie śledzi rozwój nauki i techniki na świecie oraz nieustannie się doskonali. W tym kontekście usługi testowania liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE) są również świadczone przedsiębiorstwom.