Materialien mit hohem, mittlerem und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE)

Einführung

Materialien verändern ihre Größe, wenn sie erhitzt oder abgekühlt werden. Das Ausmaß wird durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten gemessen. Ein hoher WAK bedeutet, dass sich ein Material bei Erwärmung stark ausdehnt. Ein niedriger WAK bedeutet, dass er sich kaum verändert.

Materialien mit hohem WAK

Materialien mit hohem WAK dehnen sich bei Temperaturveränderungen merklich aus. Einige Metalle und die meisten Kunststoffe fallen in diese Kategorie.

Metalle

Aluminium hat normalerweise einen WAK von etwa 23 x10-⁶/K. Kupfer hat normalerweise einen Wert von 17 x10-⁶/K. Stahl hat einen Wert von etwa 11 bis 13 x10-⁶/K.

Polymere und Kunststoffe

Kunststoffe haben wahrscheinlich eine extrem hohe Wärmeausdehnung. Ein Beispiel hierfür sind Polyethylen, Polypropylen und Polytetrafluorethylen (PTFE), die in der Regel einen WAK von 50 bis 200 x10-⁶/K aufweisen. Diese Materialien werden für die meisten Kunststoffteile und Haushaltsanwendungen verwendet, bei denen die Ausdehnung während des Konstruktionsprozesses berücksichtigt werden muss.

Materialien mit hohem WAK werden in alltäglichen Dingen verwendet. Ein Aluminium-Türrahmen braucht möglicherweise Fugen, damit er an heißen Sommertagen nicht klebt. Kunststoffe auf Verpackungen blähen sich im Sonnenlicht stark auf.

Materialien mit mittlerem WAK

Materialien mit mittlerem WAK blähen sich nicht so stark auf wie Kunststoffe oder einige Metalle, verändern sich aber dennoch mit der Temperatur. Einige Keramiken und Verbundwerkstoffe fallen in diese Kategorie.

Keramische Werkstoffe

Keramiken wie Aluminiumoxid haben einen WAK von 5 bis 8 x10-⁶/K. Der Wert von Siliziumnitrid ist mit 3 bis 4 x10-⁶/K niedriger. Sie werden sehr geschätzt, da sie gegen hohe Temperaturen beständig sind. Keramische Teile werden in Motoren und elektronischen Geräten verwendet.

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) und glasfaserverstärkte Polymere (GFK) werden hergestellt, um einen Kompromiss zwischen Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung zu erzielen. Sie werden für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt und für Sportartikel verwendet, bei denen es auf Präzision in den Abmessungen ankommt.

Materialien mit mittlerem WAK sind ein Kompromiss zwischen hoher Ausdehnung und Stabilität. Ingenieure entscheiden sich für diese Werkstoffe, wenn mäßige thermische Veränderungen zulässig sind oder wenn Kostengründe eine Rolle spielen.

Materialien mit niedrigem WAK

Werkstoffe mit niedrigem WAK ändern ihre Abmessungen bei Temperaturänderungen nur geringfügig. Diese Werkstoffe werden häufig in Präzisionsanwendungen eingesetzt.

Spezielle Legierungen und Metalle

Eine spezielle Legierung wie Invar, eine Eisen-Nickel-Legierung mit einem Nickelanteil von etwa 36 %, hat einen typischen WAK von etwa 1 x10-⁶/K. Invar wird in wissenschaftlichen Instrumenten, Uhren und anderen Präzisionsbauteilen verwendet, bei denen minimale Veränderungen von größter Bedeutung sind.

Gläser und Keramiken

Quarzglas, ein Glas, hat einen WAK-Wert von etwa 0,5 x10-⁶/K. Zerodur, ein Material mit geringer Ausdehnung, fällt ebenfalls in diese Kategorie. Diese Materialien werden in Teleskopspiegeln, Laborgeräten und Präzisionsgeräten verwendet. Ihre geringe Ausdehnung gewährleistet Genauigkeit bei Temperaturänderungen.

Tabelle oder Diagramm zum Vergleich von Materialien mit hohem, mittlerem und niedrigem WAK

Diese Tabelle gibt lediglich wichtige Werte an. Sie hilft beim Vergleich, welches Material für eine bestimmte Konstruktionsanforderung geeignet sein könnte. Weitere Informationen finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Schlussfolgerung

Achten Sie bei der Materialauswahl auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Materialien mit hohem WAK, wie die meisten Kunststoffe und Metalle, verändern sich stark. Materialien mit mittlerem WAK, wie Keramik und Verbundwerkstoffe, bieten einen Ausgleich zwischen Ausdehnung und Festigkeit. Materialien mit niedrigem WAK, wie Invar und Quarzglas, verändern sich bei Temperaturunterschieden nur wenig.

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient?

F: Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Maß für das Ausmaß, in dem sich ein Material bei Temperaturschwankungen ausdehnt oder zusammenzieht.

F: Warum ist die Wärmeausdehnung bei der Konstruktion wichtig?

F: Sie beeinflusst die Maßgenauigkeit, die Leistung und die Sicherheit mechanischer oder elektrischer Systeme.

F: Welches ist das Material mit der geringsten Wärmeausdehnung?

F: Quarzglas und spezielle Legierungen wie Invar sind für ihre geringe Wärmeausdehnung bekannt.