Материалы с высоким, средним и низким коэффициентом теплового расширения (CTE)

Введение

При нагревании или охлаждении материалы изменяют свои размеры. Степень изменения измеряется коэффициентом теплового расширения. Высокий CTE означает, что материал сильно расширяется при нагревании. Низкий CTE означает, что он почти не изменяется.

Материалы с высоким КТЭ

Материалы с высоким КТЭ заметно расширяются при изменении температуры. К этой категории относятся некоторые металлы и большинство пластмасс.

Металлы

Алюминий обычно имеет CTE около 23 x10-⁶/K. У меди обычно 17 x10-⁶/K. Сталь - от 11 до 13 x10-⁶/K.

Полимеры и пластмассы

Пластмассы, скорее всего, будут иметь чрезвычайно высокое тепловое расширение. Например, полиэтилен, полипропилен и политетрафторэтилен (PTFE), которые обычно имеют CTE от 50 до 200 x10-⁶/K. Эти типы материалов используются в большинстве пластиковых деталей и бытовых приложений, где расширение необходимо учитывать в процессе проектирования.

Материалы с высоким CTE используются в повседневных вещах. Алюминиевой дверной коробке могут потребоваться зазоры, чтобы она не прилипала в жаркие дни летом. Пластик на упаковках сильно раздувается под воздействием солнечного света.

Материалы со средним СТЭ

Материалы со средним СТЭ не так сильно раздуваются, как пластик или некоторые металлы, но все же изменяются под воздействием температуры. В эту категорию попадают некоторые керамические и композитные материалы.

Керамика

Керамика, например глинозем, имеет CTE от 5 до 8 x10-⁶/K. У нитрида кремния этот показатель ниже - от 3 до 4 x10-⁶/K. Эти материалы очень ценятся, поскольку устойчивы к высоким температурам. Керамические детали используются в двигателях и электронных устройствах.

Композитные материалы

Композитные материалы, такие как полимер, армированный углеродным волокном (CFRP) и полимер, армированный стекловолокном (GFRP), созданы для того, чтобы найти компромисс между прочностью и наименьшим тепловым расширением. Они используются в аэрокосмических компонентах и спортивных товарах, где важна точность размеров.

Материалы со средним CTE - это компромисс между высоким расширением и жесткой стабильностью. Инженеры выбирают эти материалы, когда допустимы умеренные тепловые изменения или если необходимо учесть стоимость.

Материалы с низким СТЭ

Материалы с низким CTE очень незначительно изменяют размеры при изменении температуры. Эти материалы широко используются в прецизионных приложениях.

Специальные сплавы и металлы

Такой специфический сплав, как инвар, который представляет собой железо-никелевый сплав, содержащий около 36 % никеля, обычно имеет CTE около 1 x10-⁶/K. Инвар используется в научных приборах, часах и других прецизионных компонентах, где минимальные изменения имеют первостепенное значение.

Стекло и керамика

Плавленый кварц, представляющий собой стекло, имеет значение CTE около 0,5 x10-⁶/K. В эту же категорию попадает материал Zerodur с низким коэффициентом расширения. Эти материалы используются в зеркалах телескопов, лабораторном оборудовании и прецизионных приборах. Их низкое расширение обеспечивает точность при изменении температуры.

Таблица или диаграмма сравнения материалов с высоким, средним и низким CTE

На этой диаграмме просто приведены важные значения. Она помогает сравнить, какой материал может подойти для тех или иных требований к конструкции. Более подробную информацию вы можете найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

Заключение

При выборе материала учитывайте коэффициент теплового расширения. Материалы с высоким КТР, такие как большинство пластмасс и большинство металлов, сильно изменяются. Материалы со средним КТР, такие как керамика и композиты, уравновешивают расширение с прочностью. Материалы с низким КТР, такие как инвар и плавленый кварц, не сильно изменяются при перепадах температуры.

Часто задаваемые вопросы

F: Что такое коэффициент теплового расширения?

В: Это показатель того, насколько материал расширяется или сжимается при изменении температуры.

F: Почему тепловое расширение имеет значение при проектировании?

В: Оно влияет на точность размеров, производительность и безопасность механических и электрических систем.

F: Какой материал имеет наименьшее тепловое расширение?

В: Плавленый кварц и специальные сплавы, такие как инвар, известны тем, что имеют низкое тепловое расширение.