Determinación de la densidad del CET

Dilatación térmica y densidad

La expansión térmica de los materiales puede conducir a grandes daños comerciales. Por ejemplo, en la construcción, se deben proporcionar juntas de dilatación para compensar los cambios de longitud en caso de fluctuaciones de temperatura. Además, los coeficientes de expansión de los materiales en contacto deben coincidir entre sí. Si los coeficientes de expansión de un cuerpo cerámico y un vidriado difieren demasiado, se forman las llamadas “grietas en telaraña”, que a menudo se pueden observar en platos de porcelana antiguos.

La expansión ocurre en todas las direcciones espaciales, lo que cambia la densidad, ya que la masa permanece constante. En el caso de materiales anisotrópicos, la expansión depende de la dirección, por lo que se debe especificar la dirección de la expansión. En consecuencia, todas las direcciones espaciales deben tenerse en cuenta para determinar la densidad o el coeficiente de expansión volumétrica.

Definición de dilatación térmica

El coeficiente de expansión térmica (CTE) se define como el cambio relativo en la longitud ante un cambio de temperatura de un Kelvin:

lo que da resultados en unidades de α K-1 (“por Kelvin”). Depende de la temperatura y por lo tanto cambia, pero a menudo solo en pequeña medida, dependiendo del rango de temperatura considerado. Su magnitud es típicamente 10-6 K-1 y por lo tanto se da a menudo en “ppm K-1”.

Materiales con coeficientes de expansión bajos son, por ejemplo, el vidrio de cuarzo y el metal INVAR, que tienen un coeficiente de expansión de menos de 1 ppm K-1. Los mayores coeficientes de expansión los tienen los polímeros (hasta aproximadamente 200 ppm K-1). Algunos materiales tienen expansiones negativas, dependiendo del rango de temperatura.

Transformaciones de fase

Los coeficientes de expansión de diferentes fases del mismo material varían. Por ejemplo, los coeficientes de expansión de los polímeros por encima de la temperatura de transición vítrea son mayores que los de abajo.

Otro ejemplo conocido son las transformaciones de fase del hierro elemental: hasta los 90°C, la estructura cristalina centrada en el espacio cúbico es estable (hierro-α), de 906°C a 1401°C, tiene la mayor densidad cúbica (hierro-β), y por encima de 1539°C vuelve a la estructura cristalina centrada en el espacio cúbico (hierro-δ). Ya que el llenado espacial del empaquetamiento de densidad cúbica más alta (74%) es mayor que el del empaquetamiento centrado cúbico (68%), hay saltos en la densidad y por lo tanto también en la longitud en las transformaciones de fase. Estos se utilizan para detectar transiciones de fase en aleaciones de hierro:

Medición del coeficiente de dilatación

El método de medición a seleccionar depende del estado de agregación de la muestra, de la magnitud del coeficiente de dilatación de la muestra a medir y del intervalo de temperaturas a considerar. Las propiedades mecánicas de la muestra también deben tenerse en cuenta en la producción de muestras adecuadas y, por tanto, en la selección del método de medición.

Liquids

La expansión o densidad de los líquidos generalmente se determina mediante picnómetros. En este caso, se controla la temperatura de un volumen constante de la muestra y se determina la masa. Los fluidos generalmente se expanden con el aumento de la temperatura. Una excepción bien conocida es el agua, que tiene su densidad máxima a 4 °C (“anomalía del agua”).

Además, se utiliza el llamado método de oscilación de flexión. Aquí, la densidad se calcula a partir de la medición de la frecuencia natural de un oscilador de flexión lleno del líquido a investigar.

Los líquidos también se pueden medir utilizando contenedores de líquidos adecuados en un dilatómetro de varilla empujadora. En este caso, hay que asegurarse de que no escapen gases del líquido o que los gases que escapen también abandonen el contenedor, sin embargo, la muestra líquida no debe escapar.

Solid body

Los sólidos se suelen medir utilizando dilatómetros (de varilla empujadora) o analizadores termomecánicos (TMA). En este caso, la muestra se introduce en un horno y se hace contacto con ella mediante una varilla empujadora. El cambio de longitud de la muestra es transmitido por la varilla a un sensor. Dependiendo del horno utilizado, se puede cubrir un rango de temperatura de -263 a +2800°C. Dependiendo del rango de temperatura, se utilizan varillas de cuarzo, óxido de aluminio o grafito. Como sensores, se utilizan mayormente transformadores diferenciales (LVDT – transformadores diferenciales variables lineales) y recientemente también codificadores ópticos.

Si las muestras son difíciles de procesar, frágiles o fácilmente deformables debido a sus propiedades, de modo que no resisten la fuerza de la varilla empujadora en contacto, se utilizan dilatómetros ópticos, también llamados microscopios de calentamiento. Aquí, como en el caso del dilatómetro de varilla, la muestra se coloca en un horno. La muestra se observa usando una cámara cuyas imágenes son medidas. A través del análisis de imágenes, no solo se puede observar la expansión (aquí incluso en 2 dimensiones) sino también cambios en la forma y fusión, y calcular los ángulos de contacto.

Las muestras en polvo se miden en adaptadores especiales. En este caso, asegúrese de que el aire encerrado, pero no la muestra, pueda escapar (análogo a la medición de líquidos). También se debe observar el grado de compactación (densidad aparente, densidad de vibración y densidad compactada) de la muestra: no debe ser alterado por las condiciones de medición.

Los materiales con coeficientes de expansión particularmente bajos se miden utilizando métodos interferométricos. En este caso, la luz monocromática se refleja en la muestra y se provoca interferencia con un segundo haz (principio del interferómetro de Michelson). El cambio de longitud resulta de la longitud de onda de la luz utilizada y el número de interferencias. Estos dispositivos de medición también se conocen como dilatómetros láser.