Spis treści
Rozszerzalność cieplna i gęstość
Rozszerzalność termiczna materiałów może prowadzić do poważnych szkód ekonomicznych. Na przykład w branży budowlanej należy zapewnić kompensatory, aby skompensować zmiany długości spowodowane
Rozszerzanie odbywa się we wszystkich kierunkach przestrzennych, więc gęstość zmienia się, gdy masa pozostaje stała. Rozszerzalność materiałów anizotropowych jest zależna od kierunku, dlatego należy określić kierunek rozszerzalności. Aby określić gęstość lub współczynnik rozszerzalności objętościowej, należy wziąć pod uwagę wszystkie kierunki przestrzenne.
Definicja rozszerzalności cieplnej
Współczynnik rozszerzalności cieplnejα, znany również jako CTE, jest definiowany jako względna zmiana długości przy zmianie temperatury o jeden Kelwin:
α= ∆L/(L0 *∆T)
z:
∆L: Zmiana długości [m]
L0: Długość początkowa [m]
∆T: Zmiana temperatury [K]
skutkuje jednostką K-1 („na Kelvin”) dla α. Jest ona zależna od temperatury i dlatego zmienia się, ale często tylko w niewielkim stopniu, w zależności od rozważanego zakresu temperatur. Jego rząd wielkości wynosi zazwyczaj 10-6 K-1 i dlatego jest często podawany w „ppm K-1”.
Materiały o niskich współczynnikach rozszerzalności to na przykład szkło kwarcowe i metal INVAR, które mają współczynnik rozszerzalności mniejszy niż 1 ppm K-1. Polimery mają najwyższe współczynniki rozszerzalności (do ok. 200 ppm K-1). W zależności od zakresu temperatur, niektóre materiały wykazują ujemną rozszerzalność.
Przemiany fazowe
Współczynniki rozszerzalności różnych faz tego samego materiału różnią się. Na przykład, współczynniki rozszerzalności polimerów powyżej temperatury zeszklenia są większe niż poniżej.
Innym dobrze znanym przykładem są przemiany fazowe pierwiastkowego żelaza: do 906 °C stabilna jest sześcienna struktura krystaliczna skoncentrowana na ciele (α-żelazo), od 906 °C do 1401 °C najgęstsza struktura sześcienna (β-żelazo), a powyżej 1539 °C struktura sześcienna skoncentrowana na ciele (δ-żelazo). Ponieważ wypełnienie przestrzeni najgęstszego upakowania sześciennego (74%) jest większe niż upakowania sześciennego skoncentrowanego na ciele (68%), podczas przemian fazowych występują skoki gęstości, a zatem także długości. Są one wykorzystywane do wykrywania przejść fazowych w stopach żelaza:
Pomiar współczynnika rozszerzalności
Płyny
Rozszerzalność lub gęstość cieczy jest zwykle określana za pomocą piknometrów. Stała objętość próbki jest hartowana i określana jest jej masa. Ciecze zazwyczaj rozszerzają się wraz ze wzrostem temperatury. Dobrze znanym wyjątkiem jest woda, której maksymalna gęstość występuje w temperaturze 4°C („anomalia wody”).
Stosowana jest również tak zwana metoda oscylującej U-rurki. W tym przypadku gęstość oblicza się poprzez pomiar częstotliwości drgań własnych oscylującej U-rurki wypełnionej analizowaną cieczą.
Ciecze można również mierzyć za pomocą odpowiednich pojemników z cieczą na dylatometrze prętowym. Należy upewnić się, że z cieczy nie ulatniają się gazy, a ulatniające się gazy również opuszczają pojemnik, chociaż próbka cieczy nie może się ulatniać.
Półprzewodnik
Ciała stałe są zwykle mierzone za pomocą dylatometrów (prętowych) lub analizatorów termomechanicznych (TMA). W tym przypadku próbka jest umieszczana w piecu i styka się z popychaczem. Zmiana długości próbki jest przenoszona do czujnika przez popychacz. W zależności od zastosowanego pieca, zakres temperatur może wynosić od -263 do +2800 °C. W zależności od zakresu temperatur stosowane są pręty wykonane ze szkła kwarcowego, tlenku glinu lub grafitu. Jako czujniki stosowane są zazwyczaj transformatory różnicowe (LVDT – Linear Variable Differential Transformer), a od niedawna także enkodery optyczne.
Jeśli, ze względu na swoje właściwości, próbki są trudne w obróbce, kruche lub łatwo ulegają deformacji, tak że nie mogą wytrzymać siły kontaktującego się z nimi popychacza, stosuje się dylatometry optyczne, znane również jako mikroskopy grzewcze. Tutaj, podobnie jak w przypadku dylatometru prętowego, próbka jest umieszczana w piecu. Próbka jest obserwowana za pomocą kamery, której obrazy są mierzone. Analizując obrazy, można zaobserwować nie tylko ekspansję (tutaj nawet w 2 wymiarach), ale także zmiany kształtu i topnienia oraz obliczyć kąty zwilżania.
Próbki sproszkowane są mierzone w specjalnych adapterach. Należy zachować ostrożność, aby zapewnić, że zamknięte powietrze, ale nie próbka, może się wydostać (analogicznie do pomiaru cieczy). Należy również wziąć pod uwagę stopień zagęszczenia (gęstość nasypowa, gęstość wibracyjna, gęstość objętościowa) próbki: nie może on ulec zmianie w wyniku warunków pomiaru.
Materiały o szczególnie niskich współczynnikach rozszerzalności są mierzone przy użyciu metod interferometrycznych. W tym przypadku światło monochromatyczne jest odbijane przez próbkę i zakłócane przez drugą wiązkę (zasada działania interferometru Michelsona). Zmiana długości wynika z długości fali użytego światła i liczby interferencji. Takie urządzenia pomiarowe są również nazywane dylatometrami LASEROWYMI.
