Teste de Coeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)

O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material dependendo da temperatura. É feita uma distinção entre o coeficiente médio de expansão térmica linear e o coeficiente físico (diferencial) de expansão térmica linear. O coeficiente médio de expansão térmica linear é definido como a inclinação de uma secante que passa por dois pontos da curva de expansão térmica. O coeficiente físico (diferencial) de expansão térmica linear é a inclinação da curva de expansão a uma determinada temperatura. Portanto, corresponde à primeira derivada da curva de expansão térmica em relação à temperatura.

A expansão ou contração térmica ocorre quando um material é submetido a mudanças de temperatura e, portanto, resulta em mudanças nas dimensões gerais e em outras propriedades físicas. Esse efeito é mais pronunciado em gases e líquidos, mas também é evidente em sólidos. Materiais mais macios, como polímeros não reforçados, sofrem maiores níveis de mudança dimensional por grau de mudança de temperatura.

Quando se trata de processamento de polímeros, o calor sempre faz parte da equação. Aumentar a temperatura em qualquer polímero ou composto pode levar a mudanças significativas nas dimensões, empenamento da peça ou estresse interno. Portanto, é fundamental que os projetistas entendam quanta expansão térmica um material sofrerá durante as operações de usinagem.

Um dos testes que engenheiros e designers usam para medir a estabilidade dimensional de um material sob os efeitos do calor é o coeficiente de expansão térmica linear. As empresas tomam muito cuidado para garantir resultados inigualáveis ​​a fim de assegurar dimensões e propriedades ideais para polímeros e compósitos processados.

O coeficiente de expansão térmica linear é calculado dividindo-se a expansão linear por unidade de comprimento pela mudança de temperatura. Ao relatar o coeficiente médio de expansão térmica, as faixas de temperatura devem ser especificadas. Em muitos materiais, o coeficiente de expansão térmica linear pode mudar conforme a temperatura muda. Nem sempre é linear, mas geralmente é considerado linear para aplicações menos críticas ou estimativas rápidas.

A expansão térmica em materiais causa rachaduras e tensões prematuras que podem levar à falha da peça. Entender esse tipo de expansão não é apenas uma preocupação financeira, mas também ajuda a determinar o tipo de material para qualidade e funcionalidade. É importante conhecer o comportamento dimensional de peças usinadas expostas a mudanças de temperatura. Ele também determina as tensões térmicas que podem ocorrer e causar falhas quando um elemento sólido composto de materiais diferentes é exposto à temperatura (especialmente ao estimar a ligação eficiente de materiais ou ao usar plásticos com metais).

Os padrões mais comumente usados ​​para medir o coeficiente de expansão térmica linear em plásticos são:

• Método de teste padrão ASTM D696-16 para coeficiente de expansão térmica linear de plásticos por dilatômetro de sílica vítrea de menos 30 graus a mais 30 graus
• Método de teste padrão ASTM E831-19 para expansão térmica linear de materiais sólidos por análise termomecânica
• Método de teste padrão ASTM E228-17 para expansão térmica linear de materiais sólidos por dilatômetro de haste de pressão
• ISO 11359 Plásticos - Análise termomecânica (TMA)

Os métodos comumente usados ​​para determinar o coeficiente de expansão térmica linear são:

• Dilatometria: Técnica na qual uma dimensão de uma substância sob uma carga desprezível é medida sob um programa de temperatura controlada em um ambiente atmosférico especificado, por exemplo, medindo expansão ou contração.
• Interferometria: É uma técnica de diagnóstico e pesquisa que utiliza o fenômeno de interferência entre ondas. Observa-se que quando duas ou mais ondas se sobrepõem em um ponto no espaço, a intensidade da onda resultante naquele ponto pode diferir da soma das intensidades das ondas iniciais.
• Análise termomecânica: Técnica usada para determinar as alterações dimensionais de uma amostra em relação à temperatura, como a temperatura de amolecimento, a temperatura de transição vítrea e o coeficiente de expansão térmica linear (CTE). A aplicação mais comum dessa técnica é determinar CTE.

O teste do coeficiente de expansão térmica linear é considerado importante pelos seguintes motivos:

• Compatibilidade térmica: Quando dois materiais com valores CLTE diferentes (como metal e plástico) são unidos, eles se expandem em taxas diferentes com o calor. Isso pode causar rachaduras, deformações ou delaminação, especialmente em compostos ou eletrônicos.
• Eletrônicos e semicondutores: placas de circuito (PCBs), encapsulamentos de circuitos integrados (CI) e juntas de solda envolvem expansão e contração de materiais. CLTE incompatíveis podem causar estresse mecânico e falha durante o ciclo térmico.
• Engenharia de precisão: em sistemas aeroespaciais, ópticos ou mecânicos com tolerâncias rigorosas, mesmo pequenas expansões são importantes. Os designers precisam selecionar materiais com CLTEs baixos ou correspondentes para manter a precisão e o alinhamento.
• Impressão 3D / plásticos: Em peças à base de polímeros, altos valores de CLTE podem levar à deformação durante o resfriamento, especialmente em processos como moldagem por injeção ou impressão 3D.
• Construção e edificação: Estruturas expostas a mudanças de temperatura devem levar em conta a expansão (por exemplo, pontes com juntas de dilatação). Não levar em conta o CLTE pode causar rachaduras ou entorses.

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