Test av linjär värmeutvidgningskoefficient (CLTE/CTE)

Linjär värmeutvidgningskoefficient (CLTE) beskriver längdförändringen hos ett material beroende på temperaturen. Man skiljer mellan den genomsnittliga koefficienten för linjär värmeutvidgning och den fysikaliska (differentiella) koefficienten för linjär värmeutvidgning. Den genomsnittliga linjära värmeutvidgningskoefficienten definieras som lutningen på en sekant som passerar genom två punkter på värmeutvidgningskurvan. Den fysikaliska (differentiella) koefficienten för linjär termisk expansion är lutningen på expansionskurvan vid en given temperatur. Därför motsvarar den den första derivatan av den termiska expansionskurvan med avseende på temperaturen.

Termisk expansion eller kontraktion inträffar när ett material utsätts för temperaturförändringar och därför resulterar i förändringar i övergripande dimensioner och andra fysikaliska egenskaper. Denna effekt är mer uttalad i gaser och vätskor, men är även tydlig i fasta ämnen. Mjukare material, såsom oförstärkta polymerer, upplever större nivåer av dimensionsförändring per grads temperaturförändring.

När det gäller bearbetning av polymerer är värme alltid en del av ekvationen. Att öka temperaturen på vilken polymer eller komposit som helst kan leda till betydande förändringar i dimensioner, deformation eller inre spänningar. Därför är det avgörande för konstruktörer att förstå hur mycket termisk expansion ett material kommer att genomgå under bearbetningsoperationer.

Ett av de tester som ingenjörer och konstruktörer använder för att mäta ett materials dimensionsstabilitet under värmepåverkan är koefficienten för linjär värmeutvidgning. Företagen lägger stor vikt vid att säkerställa oöverträffade resultat för att säkerställa optimala dimensioner och egenskaper för bearbetade polymerer och kompositer.

Den linjära värmeutvidgningskoefficienten beräknas genom att dividera den linjära utvidgningen per längdenhet med temperaturförändringen. Vid rapportering av den genomsnittliga värmeutvidgningskoefficienten bör temperaturintervall specificeras. I många material kan den linjära värmeutvidgningskoefficienten ändras när temperaturen förändras. Den är inte alltid linjär, men antas ofta vara linjär för mindre kritiska tillämpningar eller snabba uppskattningar.

Termisk expansion i material orsakar för tidiga sprickor och spänningar som kan leda till att delar går sönder. Att förstå denna typ av expansion är inte bara en ekonomisk fråga, det hjälper också till att bestämma materialtypen för kvalitet och funktion. Det är viktigt att känna till dimensionsbeteendet hos bearbetade delar som utsätts för temperaturförändringar. Den bestämmer också de termiska spänningar som kan uppstå och orsaka fel när ett fast element bestående av olika material utsätts för temperatur (särskilt vid uppskattning av effektiv materialbindning eller vid användning av plast med metaller).

De vanligaste standarderna för att mäta linjär värmeutvidgningskoefficient i plaster är:

• ASTM D696-16 Standardtestmetod för linjär värmeutvidgningskoefficient för plast med hjälp av glasartad kiseldioxiddilatometer vid minus 30 grader till plus 30 grader
• ASTM E831-19 Standardtestmetod för linjär termisk expansion av fasta material genom termomekanisk analys
• ASTM E228-17 Standardtestmetod för linjär termisk expansion av fasta material med tryckstångsdilatometer
• ISO 11359 Plaster - Termomekanisk analys (TMA)

Vanligt förekommande metoder för att bestämma den linjära värmeutvidgningskoefficienten är:

• Dilatometri: En teknik där en dimension av ett ämne under försumbar belastning mäts under ett kontrollerat temperaturprogram i en specificerad atmosfärisk miljö, till exempel genom att mäta expansion eller kontraktion.
• Interferometri: Det är en diagnostisk och forskningsteknik som använder fenomenet interferens mellan vågor. Det observeras att när två eller flera vågor överlappar varandra i en punkt i rymden, kan intensiteten hos den resulterande vågen vid den punkten skilja sig från summan av intensiteterna hos de initiala vågorna.
• Termomekanisk analys: En teknik som används för att bestämma dimensionsförändringarna hos ett prov med avseende på temperatur, såsom mjukningstemperatur, glasövergångstemperatur och linjär värmeutvidgningskoefficient (CTE). Den vanligaste tillämpningen av denna teknik är att bestämma CTE.

Testet av den linjära värmeutvidgningskoefficienten anses viktigt av följande skäl:

• Termisk kompatibilitet: När två material med olika CLTE-värden (som metall och plast) binds samman, expanderar de med olika hastigheter med värme. Detta kan orsaka sprickbildning, skevhet eller delaminering, särskilt i kompositer eller elektronik.
• Elektronik och halvledare: Kretskort (PCB), integrerade kretskapslingar (IC) och lödfogar involverar alla expansion och kontraktion av material. Felaktig CLTE kan leda till mekanisk stress och fel under termisk cykling.
• Precisionsteknik: Inom flyg- och rymdteknik, optiska eller mekaniska system med snäva toleranser är även små expansioner viktiga. Konstruktörer behöver välja material med låga eller matchande CLTE-värden för att bibehålla noggrannhet och anpassning.
• 3D-utskrift/plast: I polymerbaserade delar kan höga CLTE-värden leda till skevhet under kylning, särskilt i processer som formsprutning eller 3D-utskrift.
• Bygg och anläggning: Konstruktioner som utsätts för temperaturförändringar måste ta hänsyn till expansion (t.ex. broar med expansionsfogar). Underlåtenhet att ta hänsyn till CLTE kan leda till sprickor eller stukningar.

Vår organisation, som i åratal har försökt stödja företag från alla sektorer med ett brett utbud av test-, mät-, analys- och utvärderingsstudier, har en stark personalstyrka som noggrant följer utvecklingen i världen inom vetenskap och teknik och ständigt förbättrar sig. I detta sammanhang tillhandahålls även testtjänster för linjär värmeutvidgningskoefficient (CLTE/CTE) till företag.