Wärmeausdehnungskoeffizient

Koeffizient der thermischen Ausdehnung

Der Wärmeausdehnungskoeffizient quantifiziert das Ausmaß der Größenänderung, die in einem Material als Funktion der Temperatur auftritt. Er misst die Größenänderung pro Grad Temperatur, die üblicherweise in °C (°C-¹) oder Kelvin (K-¹) angegeben wird, und ist eine wichtige Materialeigenschaft, die bei der Vorhersage des Verhaltens von Materialien in beheizten und gekühlten Umgebungen verwendet wird. Obwohl es eine mathematische Methode zur Beschreibung des WAK gibt, ist das Grundprinzip recht einfach: Materialien dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen; der Grad der Ausdehnung hängt jedoch von der atomaren Struktur, der Art der Bindung und der Mikrostruktur ab.

Faktoren, die die thermische Ausdehnung beeinflussen

1. Materialzusammensetzung

Je nach Art der Bindung reagieren die verschiedenen Werkstoffklassen ganz unterschiedlich auf die Wärmeausdehnung.

• Metalle: weisen in der Regel höhere WAK-Werte auf, da die Atome in metallischen Bindungen freier schwingen können (z. B. Aluminium ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹).
• Keramiken: Aufgrund starrer ionischer/kovalenter Bindungen haben sie einen niedrigen WAK. Quarzglas zum Beispiel hat einen WAK von ≈ 0,5 × 10-⁶ °C-¹.
• Polymere: haben sehr oft sehr hohe nichtlineare Werte des WAK, wie Polyethylen ≈ 100 × 10-⁶ °C-¹.

• Verbundwerkstoffe: Ihr WAK hängt von der Faser/Matrix-Kombination ab; Kohlenstoff-Faser-Verbundwerkstoffe können sogar eine Wärmeausdehnung von nahezu Null erreichen.

2. Temperaturbereich

Der WAK ist nicht unbedingt konstant. Viele Materialien weisen auf:

- lineares Verhalten innerhalb eines moderaten Temperaturbereichs

- Nichtlineare Ausdehnung bei Phasenübergängen oder hohen Temperaturen

Stahl zum Beispiel hat einen annähernd linearen WAK im Bereich von 20-100°C, aber seine Ausdehnungsraten nehmen mit steigender Temperatur und zunehmender Nähe zum Rekristallisationspunkt zu.

3. Strukturelle Anisotropie

Wenn ein Material anisotrop ist, dehnt es sich ungleichmäßig entlang verschiedener Achsen aus.

- Holz dehnt sich stark quer zur Faser aus, aber nur wenig entlang der Faser.

4. Externe Spannungen und Eigenspannungen

Eigenspannungen können durch Fertigungsverfahren wie Schweißen, maschinelle Bearbeitung und Kaltumformung entstehen. Solche Spannungen können das natürliche Ausdehnungsverhalten verstärken oder ihm entgegenwirken und den effektiven WAK entsprechend verändern.

5. Umwelteinflüsse

Der WAK kann sich im Laufe der Zeit aufgrund von absorbierter Feuchtigkeit, Oxidation und anderen chemischen Wechselwirkungen geringfügig ändern. Tatsächlich absorbieren viele Polymere Feuchtigkeit und quellen auf, was sich auf die Wärmeausdehnungseigenschaften auswirkt.

Arten der thermischen Ausdehnung

Im Allgemeinen gibt es drei Arten der thermischen Ausdehnung, je nachdem, welche Dimensionsänderung beschrieben wird.

1. Lineare thermische Ausdehnung

Dies ist die Längenänderung eines Materials mit der Temperatur.

Die meisten technischen Werkstoffe - Metalle, Polymere und Strukturbauteile - werden anhand des linearen WAK bewertet.

Ein 1 Meter langer AluminiumstabCTE ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹ dehnt sich bei einer Erwärmung um 1 °C um 23 Mikrometer aus.

2. Flächige (zweidimensionale) Wärmeausdehnung

Für einige Anwendungen - Folien, Beschichtungen, Membranen - ist es wichtig zu verstehen, wie sich die Oberfläche ausdehnt.

Bei einem isotropen Material beträgt die Flächenausdehnung ungefähr das Doppelte des linearen WAK.

Wärmetauscher-Metallplatten unterliegen einer zweidimensionalen Ausdehnung, die sich auf die Dichtungen und die Vorspannung der Schrauben auswirken kann.

3. Volumetrische Wärmeausdehnung

Beschreibt die 3-dimensionale Ausdehnung im Volumen. Wird für Flüssigkeiten, Keramiken und Gusskomponenten verwendet.

Große volumetrische Änderungen kennzeichnen Polymere und auch Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe, was sich auf die Formgestaltung bei der Herstellung von Kunststoffen auswirkt.

Anwendungen der Wärmedehnungstechnik

1. Hoch- und Tiefbau

Große Bauwerke hängen von einem kritischen Konstruktionsfaktor ab: der Wärmeausdehnung.

- Dehnungsfugen in Brücken sind so ausgelegt, dass sie diese Verschiebungen von mehreren Zentimetern im Verhältnis zu den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen aufnehmen können.

- Betonbeläge werden mit Dehnungsfugen versehen, um ein Ausbeulen während der Sommerhitze zu vermeiden.

- Wolkenkratzer können sich aufgrund der täglichen thermischen Zyklen um mehrere Millimeter bis Zentimeter in ihrer Höhe verändern.

2. Flugzeuge und Raumfahrzeuge

Luft- und Raumfahrzeuge sind in der Regel extremen thermischen Gradienten ausgesetzt:

• Turbinenschaufeln von Düsentriebwerken laufen bei Temperaturen von über 1.000 °C und müssen aus Superlegierungen auf Nickelbasis mit streng kontrolliertem WAK hergestellt werden, um Risse zu vermeiden.
• Optische Komponenten von Satelliten werden in der Regel aus Legierungen mit geringer Ausdehnung, wie Invar, oder aus keramischen Werkstoffen hergestellt, um die Formstabilität in der Umlaufbahn zu gewährleisten.

3. Elektronik und Halbleiter

WAK-Fehlanpassungen zwischen den Komponenten sind eine potenzielle Ursache für Ermüdungserscheinungen beim Löten und für Geräteausfälle:

- Glasfaserverbundwerkstoffe, die auf die Ausdehnung von Kupfer abgestimmt sind, werden in Leiterplatten (PCBs) verwendet, um die Zuverlässigkeit zu verbessern.

4. Energie und Industriemaschinen

Thermische Ausdehnung wirkt sich aus:

Beispiele sind Wärmetauscher und Heizkessel, bei denen sich die Metallrohre während der Aktivierungszyklen ausdehnen.

Turbinengehäuse - kontrollierte Abstände

Gaspipelines, die so konstruiert sind, dass sie sich im Laufe der Jahreszeiten biegen

5. Präzisionsoptiken und wissenschaftliche Instrumente

Zu den Materialien mit extrem geringer Ausdehnung gehören ULE-Glas und Quarzglas, die in optischen Bänken, Teleskopen und Messsystemen verwendet werden, bei denen eine Genauigkeit bis in den Nanometerbereich erforderlich ist.

Wärmeausdehnung gängiger Materialien

Die folgende Tabelle enthält Beispiele für verschiedene Materialien und ihre jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten:

Wärmeausdehnung gängiger Metalle

Häufig gestellte Fragen

Welche Bedeutung hat der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Technik?

Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist in der Technik von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion von Strukturen und Bauteilen, die Temperaturschwankungen ohne übermäßige Belastung oder Verformung standhalten können. Er gewährleistet die Integrität und Langlebigkeit von Materialien, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden.

Wie wird der CTE gemessen?

In der Regel durch Dilatometrie, bei der die Änderung der Abmessungen unter kontrollierter Erwärmung oder Abkühlung kontinuierlich aufgezeichnet wird.

Beeinflusst die Reinheit den CTE?

Ja. Legierungszusätze, Verunreinigungen und Defektgehalte können erhebliche Änderungen des WAK bewirken. Beispiele sind die Invar-Legierungen, bei denen der Zusatz von Ni die Wärmeausdehnung genau abstimmt.