Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения определяет величину изменения размеров, происходящего в материале в зависимости от температуры. Он измеряет изменение размеров на градус температуры, обычно записывается в градусах °C (°C-¹) или Кельвина (K-¹), и является ключевым свойством материала, используемым для прогнозирования реакции материала в нагретой и охлажденной среде. Хотя существует математический способ описания CTE, основной принцип довольно прост: материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении; однако степень расширения зависит от атомной структуры, типа связи и микроструктуры.

Факторы, влияющие на тепловое расширение

1. Состав материала

В зависимости от типа связи классы материалов имеют совершенно разные реакции на тепловое расширение.

• Металлы: Обычно имеют более высокие значения CTE, поскольку в металлических связях атомы могут колебаться более свободно (например, алюминий ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹).
• Керамика: Благодаря жестким ионным/ковалентным связям они имеют низкий CTE. Например, плавленый кварц имеет CTE ≈ 0,5 × 10-⁶ °C-¹.
• Полимеры: очень часто имеют очень высокие нелинейные значения CTE, например, полиэтилен ≈ 100 × 10-⁶ °C-¹.

• Композитные материалы: Их CTE зависит от комбинации волокна и матрицы; композиты из углеродного волокна могут даже реализовать практически нулевое тепловое расширение.

2. Температурный диапазон

CTE не обязательно является постоянным. Многие материалы демонстрируют:

- Линейное поведение в умеренном диапазоне температур

- Нелинейное расширение в области фазовых переходов или высоких температур.

Например, сталь имеет примерно линейный CTE в диапазоне 20-100°C, но скорость ее расширения увеличивается по мере повышения температуры, приближаясь к точке рекристаллизации.

3. Структурная анизотропия

Если материал анизотропный, он будет расширяться неравномерно вдоль разных осей.

- Древесина сильно расширяется поперек зерна, но очень мало вдоль него.

4. Внешние и остаточные напряжения

Внутренние напряжения могут возникать в результате таких производственных процессов, как сварка, механическая и холодная обработка. Такие напряжения могут усиливать или противодействовать естественному расширению и соответствующим образом изменять эффективный CTE.

5. Воздействие окружающей среды

CTE может незначительно изменяться со временем из-за поглощенной влажности, окисления и других химических взаимодействий. Многие полимеры поглощают влагу и разбухают, что влияет на характеристики теплового расширения.

Типы теплового расширения

Как правило, существует три типа теплового расширения, в зависимости от того, какое изменение размеров описывается.

1. Линейное тепловое расширение

Это изменение длины материала с изменением температуры.

Большинство инженерных материалов - металлы, полимеры и конструкционные компоненты - оцениваются с точки зрения линейного CTE.

Алюминиевый пруток длиной 1 метрCTE ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹ расширится примерно на 23 микрометра при нагревании на 1°C.

2. Зональное (двумерное) тепловое расширение

Некоторые области применения - пленки, покрытия, мембраны - требуют понимания того, как расширяется площадь поверхности.

Для изотропного материала расширение площади примерно в два раза больше линейного CTE.

Металлические пластины теплообменников подвергаются двумерному расширению, что может повлиять на уплотнение прокладок/предварительное натяжение болтов.

3. Объемное тепловое расширение

Описывает трехмерное расширение в объеме. Используется для жидкостей, керамики и литых компонентов.

Большие объемные изменения характерны для полимеров, а также композитов с полимерной матрицей, что влияет на конструкцию пресс-форм при производстве пластмасс.

Области применения теплового расширения в технике

1. Структурное и гражданское строительство

Большие конструкции зависят от критического фактора проектирования: теплового расширения.

- Деформационные швы в мостах предназначены для поглощения этих смещений на несколько сантиметров в зависимости от сезонных изменений температуры.

- Бетонные тротуары имеют зазоры для расширения, чтобы избежать прогиба во время летней жары.

- Высота небоскребов может изменяться на несколько миллиметров или сантиметров из-за ежедневных температурных циклов.

2. Самолеты и космические аппараты

Самолеты и космические аппараты обычно подвержены экстремальным температурным градиентам:

• Лопатки турбин реактивных двигателей работают при температурах свыше 1 000 °C, и для предотвращения растрескивания необходимо использовать суперсплавы на основе никеля с жестко контролируемым КТЭ.
• Оптические компоненты спутников обычно изготавливаются из сплавов с низким коэффициентом расширения, таких как инвар, или из керамических материалов для сохранения стабильности размеров на орбите.

3. Электроника и полупроводники

Несоответствие CTE между компонентами является потенциальным источником усталости припоя и отказа устройства:

- Для повышения надежности в печатных платах (ПП) используются стекловолоконные композиты, разработанные с учетом расширения меди.

4. Энергетика и промышленное оборудование

Влияние теплового расширения:

Примерами могут служить теплообменники и котлы, где металлические трубки расширяются во время циклов активации.

Корпуса турбин - контролируемые зазоры

Газопроводы, спроектированные таким образом, что они могут изгибаться в зависимости от времени года.

5. Прецизионная оптика и научные приборы

К материалам со сверхнизким расширением относятся стекло ULE и плавленый кварц, которые используются в оптических стендах, телескопах и метрологических системах, где требуется точность до нанометровых значений.

Тепловое расширение распространенных материалов

В таблице ниже приведены примеры различных материалов и соответствующие им коэффициенты теплового расширения:

Тепловое расширение распространенных металлов

Часто задаваемые вопросы

Каково значение коэффициента теплового расширения в технике?

Коэффициент теплового расширения имеет решающее значение в технике для проектирования конструкций и компонентов, которые могут выдерживать изменения температуры, не испытывая чрезмерного напряжения или деформации. Он обеспечивает целостность и долговечность материалов, используемых в различных областях применения.

Как измеряется CTE?

Обычно это делается с помощью дилатометрии, когда изменение размеров непрерывно регистрируется при контролируемом нагреве или охлаждении.

Влияет ли чистота на СТЭ?

Да. Легирующие добавки, примеси и содержание дефектов могут вызывать значительные изменения в КТЭ. Примером могут служить сплавы Invar, в которых добавка Ni точно регулирует тепловое расширение.