Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE) Testi

Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE, coefficient of linear thermal expansion), bir malzemenin uzunluk değişimini sıcaklığa bağlı olarak tanımlar. Doğrusal termal genleşmenin ortalama katsayısı ile doğrusal termal genleşmenin fiziksel (diferansiyel) katsayısı arasında bir ayrım yapılır. Doğrusal termal genleşmenin ortalama katsayısı, termal genleşme eğrisinin iki noktasından geçen bir kesantın eğimi olarak tanımlanır. Doğrusal termal genleşmenin fiziksel (diferansiyel) katsayısı, belirli bir sıcaklıktaki genleşme eğrisinin eğimidir. Bu nedenle, sıcaklığa göre termal genleşme eğrisinin birinci türevine karşılık gelir.

Termal genleşme veya büzülme, bir malzeme sıcaklık değişimine maruz kaldığında meydana gelir ve bu nedenle tüm boyutlarda ve diğer fiziksel özelliklerde değişikliğe yol açar. Bu etki gazlarda ve sıvılarda daha belirgin olsa da katılarda da belirgindir. Takviyesiz polimerler gibi daha yumuşak malzemeler, sıcaklıktaki her derecelik değişim başına daha yüksek düzeyde boyutsal değişim yaşar.

Polimerlerin işlenmesi söz konusu olduğunda, ısı her zaman denklemin bir parçasıdır. Herhangi bir polimer veya kompozit üzerindeki sıcaklığın artırılması, boyutlarda önemli değişikliklere, parça eğriliğine veya iç gerilime yol açabilir. Bu nedenle, tasarımcıların, bir malzemenin işleme operasyonları sırasında ne kadar termal genleşmeye maruz kalacağını anlamaları çok önemlidir.

Mühendislerin ve tasarımcıların bir malzemenin ısı etkileri altındaki boyutsal kararlılığını ölçmek için kullandıkları testlerden biri doğrusal termal genleşme katsayısıdır. İşletmeler, işlenmiş polimerler ve kompozitler için optimum boyutları ve özellikleri garantilemek amacıyla rakipsiz sonuçlar sağlamaya büyük özen göstermektedir.

Doğrusal termal genleşme katsayısı, birim uzunluk başına doğrusal genleşme sıcaklıktaki değişime bölünerek hesaplanır. Ortalama termal genleşme katsayısını bildirirken, sıcaklık aralıkları belirtilmelidir. Birçok malzemede doğrusal termal genleşme katsayısı, sıcaklık değiştikçe değişebilir. Her zaman doğrusal değildir, ancak çoğu zaman daha az kritik uygulama veya hızlı tahminler için doğrusal olduğu varsayılır.

Malzemelerdeki termal genleşme, parça arızasına yol açabilen erken çatlaklara ve gerilimlere neden olur. Bu tür genleşmeyi anlamak sadece mali bir endişe değil, aynı zamanda kalite ve işlev için malzeme türünü belirlemede de yardımcı olur. Sıcaklık değişikliklerine maruz kalan işlenmiş parçaların boyutsal davranışını bilmek önemlidir. Ayrıca, farklı malzemelerden oluşan katı bir öğenin sıcaklığa maruz kaldığında (özellikle verimli malzeme bağlanmasını tahmin etmek veya metallerle plastik kullanırken) oluşabilecek ve arızaya neden olabilecek termal gerilimleri belirler.

Plastiklerde doğrusal termal genleşme katsayısını ölçmek için en yaygın kullanılan standartlar şunlardır:

• ASTM D696-16 Eksi 30 derece ile artı 30 derece arasında camsı silika dilatometresi ile plastiklerin doğrusal ısıl genleşme katsayısının standart test yöntemi
• ASTM E831-19 Katı malzemelerin termomekanik analizle doğrusal termal genleşmesine yönelik standart test yöntemi
• ASTM E228-17 İtme çubuğu dilatometresi ile katı malzemelerin doğrusal ısıl genleşmesine yönelik standart test yöntemi
• ISO 11359 Plastikler - Termomekanik analiz (TMA)

Doğrusal termal genleşme katsayısını tespit etmek için yaygın kullanılan yöntemler şunlardır:

• Dilatometri: Belirli bir atmosfer ortamında kontrollü bir sıcaklık programına tabi tutulan ihmal edilebilir bir yük altındaki bir maddenin bir boyutunun ölçüldüğü, örneğin genleşme ölçümünü veya büzülme ölçümünü içeren bir tekniktir.
• İnterferometri: Dalgalar arasındaki girişim olgusunu kullanan bir teşhis ve araştırma tekniğidir. İki veya daha fazla dalga uzayda bir noktada üst üste geldiğinde, o noktadaki ortaya çıkan dalganın yoğunluğunun, başlangıç dalgalarının yoğunluklarının toplamından farklı olabileceği gözlemlenir.
• Termomekanik analiz: Yumuşama sıcaklığı, cam geçiş sıcaklığı ve doğrusal termal genleşme katsayısı (CTE) gibi bir numunenin sıcaklığa göre boyutsal değişimlerini belirlemek için kullanılan bir tekniktir. Bu tekniğin en yaygın uygulaması CTE’yi belirlemektir.

Doğrusal termal genleşme katsayısı testi şu nedenlerle önemli görülmektedir:

• Termal uyumluluk: Farklı CLTE değerlerine sahip iki malzeme (metal ve plastik gibi) bağlandığında, ısıyla farklı hızlarda genişlerler. Bu, özellikle kompozitlerde veya elektronikte çatlama, eğilme veya delaminasyona neden olabilir.
• Elektronik ve yarı iletkenler: Devre kartları (PCB’ler), entegre devre (IC) paketleme ve lehim bağlantılarının tümü, malzemelerin genişlemesini ve büzülmesini içerir. Eşleşmeyen CLTE, termal döngü sırasında mekanik strese ve arızaya yol açabilir.
• Hassas mühendislik: Sıkı toleranslara sahip havacılık, optik veya mekanik sistemlerde, küçük genişlemeler bile önemlidir. Tasarımcıların doğruluğu ve hizalamayı korumak için düşük veya eşleşen CLTE’lere sahip malzemeler seçmeleri gerekir.
• 3D baskı / plastikler: Polimer bazlı parçalarda, yüksek CLTE değerleri, özellikle enjeksiyon kalıplama veya 3D baskı gibi işlemlerde, soğutma sırasında eğilmeye yol açabilir.
• Bina ve inşaat: Değişen sıcaklıklara maruz kalan yapılar genleşmeyi hesaba katmalıdır (örneğin genleşme derzli köprüler). CLTE’yi hesaba katmamak çatlaklara veya burkulmaya yol açabilir.

Yıllardır çok geniş bir yelpazede gerçekleştirdiği test, ölçüm, analiz ve değerlendirme çalışmaları ile her sektörden işletmelere destek olmaya çalışan kuruluşumuz, bilim ve teknoloji alanında dünyada yaşanan gelişmeleri yakından takip eden ve sürekli kendini geliştiren güçlü bir çalışan kadrosuna sahiptir. Bu çerçevede işletmelere doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE/CTE) testi hizmetleri de verilmektedir.