ضریب انبساط حرارتی (CTE) به سرعت انبساط یک ماده با افزایش دما اشاره دارد. به طور دقیق تر، این ضریب در تعیین می شود فشار ثابت و بدون تغییر فاز، یعنی انتظار می رود که ماده همچنان به شکل جامد یا سیال خود باشد.

مواد مختلف دارای CTE های متفاوتی هستند که آنها را برای استفاده خاصی که برای آن انتخاب شده اند مناسب می کند. سرامیک ها CTE بسیار پایینی دارند در حالی که پلیمرها CTE بالایی دارند. برای فلزات، Invar، آلیاژ محبوب آهن و نیکل، به دلیل CTE بسیار پایین خود شناخته شده است که باعث پایداری آن در محدوده دمایی گسترده می شود. ویژگی آن باعث شده است که در توسعه ابزارهای کالیبراسیون مفید باشد. از سوی دیگر، جیوه به دلیل CTE بالای خود شناخته شده است که باعث می شود در طیف وسیعی از دماها همانطور که در دماسنج های جیوه ای استفاده می شود پاسخگو باشد.

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• ضریب انبساط حرارتی چقدر است
• چگونه ضریب انبساط حرارتی اندازه گیری می شود
• کاربردها و موادی که از ضریب انبساط حرارتی استفاده می کنند
• مواد / برنامه های آینده

ضریب انبساط حرارتی چقدر است؟

ضریب انبساط حرارتی سرعتی است که در آن اندازه یک ماده با توجه به تغییر دما تغییر می کند. ملاحظات اندازه را می توان با تغییر در طول، مساحت یا حجم انجام داد، بنابراین ضرایب قابل استخراج برای بسط خطی، مساحت و حجم وجود دارد.

ضریب حجمی انبساط حرارتی با «alpha _{V}=frac{1}{V} left(frac{partial V}{partial T} right)_{p}» داده می‌شود که در آن «p ` نشان دهنده فشار ثابت، `V` نشان دهنده حجم، و `frac{partial V}{partial T}` نشان دهنده تغییر حجم نسبت به دما است. برای گاز، ثابت نگه داشتن فشار مهم است زیرا گازها در دمای ثابت و فشار کاهش یافته منبسط می شوند.

با فشار ثابت فرضی، انبساط خطی، انبساط ناحیه و حجم را می توان ساده تر نوشت:

`alpha _{L}=frac{1}{L} frac{dL}{dT}`

`alpha _{A}=frac{1}{A} frac{dA}{dT}`

`alpha _{V}=frac{1}{V} frac{dV}{dT}`

جایی که «L»، «A» و «V» به ترتیب طول، مساحت و حجم هستند و «T» دما است.

واحد اندازه گیری ضرایب انبساط حرارتی معکوس دما است. ^oسی^-1 یا ک^-1. با این حال، ابعاد اضافی مانند سانتی متر بر سانتی متر یا میلی متر²/mm² به واحد اضافه می شوند تا بتوان استنباط کرد که ضریب خطی، مساحت یا حجمی است.

هنگامی که مواد گرم می شوند، مولکول های آن ماده بیشتر شروع به هم زدن می کنند و میانگین فاصله بین آنها افزایش می یابد که به گسترش ابعاد آن تبدیل می شود. این هم زدن از ماده ای به ماده دیگر متفاوت است و مواد مختلف به دلیل پیوندهای اتمی و ساختار مولکولی خود به روش های مختلف به افزایش دما پاسخ می دهند. راه‌های زیادی وجود دارد که می‌توان این ویژگی مواد را برای مفید بودن منطبق کرد و راه‌های دیگری برای جلوگیری از شکست فاجعه‌بار باید در نظر گرفت.

اندازه گیری ضریب انبساط حرارتی

اندازه گیری ضرایب انبساط حرارتی از طریق 3 روش اصلی انجام می شود. دیلاتومتری، تداخل سنجی و آنالیز حرارتی مکانیکی.

دیلاتومتری

دیلاتومتری یک روش کاملاً ساده است که در آن یک نمونه آزمایشی در یک کوره قرار می گیرد و تا دماهای خاصی گرم می شود در حالی که تغییرات در ابعاد نمونه از طریق سنسورهای میله فشاری ثبت می شود. محدوده دمایی آن بین 180- است^oC تا 900^oسی.

تداخل سنجی

تداخل سنجی یک سیستم تصویربرداری و تداخل نوری است که تغییرات ابعادی در طول گرمایش یا سرمایش را بر حسب چگالی طول موج نور تک رنگ اندازه‌گیری می‌کند. دقت قابل توجهی بالاتر از دیلاتومتری دارد.

آنالیز ترمومکانیکی

آنالیز ترمومکانیکی شامل استفاده از دستگاهی است که از طریق یک فرستنده پروب و یک مبدل می تواند انبساط حرارتی را با توجه به اختلاف دما اندازه گیری کند. معمولاً دارای محدوده دمایی بین -120 است^oC تا 600^oC که با تجهیزات مختلف قابل گسترش است.

روش های کمتر رایج دیگری نیز وجود دارد که در شرایط خاص خاص ابداع و مورد استفاده قرار می گیرند. اصلاحاتی در روش‌های ذکر شده در بالا نیز وجود دارد که ممکن است یکی از جنبه‌های فرآیند مانند محدوده دما یا دقت اندازه‌گیری را به شدت افزایش دهد.

کاربردها و مواد

کاربردهایی که نیاز به ملاحظات ضریب انبساط حرارتی دارند، بیشتر فلزات هستند، زیرا در محدوده دمایی کوتاه، که در آن سایر مواد از بین نمی روند، انبساط حرارتی در واقع ناچیز است. با این حال، در محدوده دمایی بالاتر، فقط فلزات می توانند دست نخورده باقی بمانند. کاربردهای مختلفی وجود دارد که باید به طور جدی به انبساط حرارتی توجه شود. در برخی موارد، مطلوب است که CTE مواد مورد استفاده بسیار کم باشد (مانند آلیاژهای کم انبساط) و در برخی موارد لازم است تا حد ممکن بالا باشد (مانند آلیاژهای آلومینیوم).

آلیاژهای کم انبساط در ساعت‌ها/ساعت‌ها، پیستون‌های موتورهای احتراق داخلی، سیستم‌های رسانا فوق‌العاده و الکترونیک کاربرد دارند. از سوی دیگر، هر جا که قطعات مهم یا حیاتی حاوی مقدار زیادی آلومینیوم هستند، باید برای انبساط حرارتی محدودیت ایجاد کرد. در کاربردهای جوشکاری، ضرایب انبساط حرارتی دو فلز مختلف که به یکدیگر جوش می‌شوند باید مشابه باشند، در غیر این صورت خطر ایجاد تنش پسماند در طول جوش وجود دارد که ممکن است منجر به شکست شود. همین ایده در ساخت‌وساز (مانند ساختمان‌های بلند، پل‌ها) که در آن شکاف‌هایی بین ساختار هسته‌ای نه تنها برای محاسبه حرکت لرزه‌ای، بلکه برای انبساط حرارتی باقی می‌ماند، صدق می‌کند. [1].

جدول 1. ضریب انبساط حرارتی مواد رایج [2]

کاربردها و مواد آینده

همانطور که حاشیه خطا کاهش می یابد و نیاز به انبساط حرارتی کاملاً تعریف شده در محدوده های دمایی خاص افزایش می یابد، روش های آزمایش و ایجاد مواد جدید برای پاسخگویی به این تقاضا نیز افزایش می یابد. قبلاً روش‌های جدیدتری برای اندازه‌گیری CTE وجود داشته است، مانند همبستگی تصویر فروسرخ (IIC) [3] و همبستگی تصویر دیجیتال [4].

راه های جدیدی برای کاهش انبساط حرارتی موادی مانند رشته های کولار با چرخاندن آنها به هم مانند طناب کشف شده است. [5]. مواد دیگری مانند کاربید سیلیکون که در ساخت تلسکوپ‌های فضایی استفاده می‌شوند، برای دماهای پایین تا 190- تنظیم شده‌اند.^oج. داده های جامع مواد و CTEهای آنها برای سهولت فرآیندهای انتخاب مواد برای نیازهای خاص تعیین و مستند شده است. [6].

[1] “انبساط حرارتی”، مرجع آماده ASM: خواص حرارتی فلزات، 2002.

[2] A. Awasthi، “ضریب انبساط خطی در مواد مختلف به دلیل اثر دما”، IRJET، 5:5، صص 4309-11، 2018.

[3] R. Montanini & F. Freni، “روش جدیدی برای تعیین ضریب انبساط حرارتی مواد جامد”، یازدهمین کنفرانس بین المللی ترموگرافی کمی مادون قرمز، ناپل، ایتالیا، 2012.

[4] جی بلوم و همکاران، “تعیین ضریب انبساط حرارتی خطی با استفاده از همبستگی تصویر دیجیتال” در پایپتیس و همکاران (ed.s) فن آوری های نوظهور در آزمایش های غیر مخرب V، صفحات 421-425، لندن: گروه تیلور و فرانسیس، 2012.

[5] D. Yeu & L. Wei، “الیاف پیچ خورده می توانند انبساط حرارتی قابل تنظیم داشته باشند” اقدامات، 2، پ. 456، 2018.

[6] ضرایب انبساط حرارتی خطی فلزات و آلیاژها، راهنمای کاربر لیزر و اپتیک، 2002.